管壳式螺旋折流板换热器的发展与现状
管壳式螺旋折流板换热器的发展与现状
王正方1’2王勇1
(1.中国石油大学机电工程学院,山东东营257061;2.齐鲁石化公司机械厂,山东淄博255400)摘要:介绍了管壳式螺旋折流板换热器的起源与发展,对螺旋折流板换热器的结构进行了说明,对研究和应用的现状进行了分析,指出了研究和应用中存在的问题,提出了采用先进制造技术提高生产效率的思想。
关键词:螺旋折流板;换热器;应用
ResearchandStatusofTubular
Helix-BaffledHeat
Exchanger
,
WANG
Zheng-fan91・2
WANG
Yon91
(1.EleetromeehaniealProjectInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,DongyingCity,ShandongProvince
257061;2.Qih
PetrochemicalCorporationMachineryWorks,ZiboCity,ShandongProvince255400)
Abstract:IntroducedthecharactersandthestructureoftheTubularhelix—baffledheatexchanger,ana・lyzedthe
status
ofresearchandapplication,foundtheprobleminthiskindofexchanger,heatapproved
themethodofadvancedmanufacture.
Keywords:helix—baffled;heatexchanger;researchandstatus
l前言
区,换热效率难以提高。管束易发生振动,造成换热管与管板联结处松动,从而造成换热器失效,特别是管壳式换热器是一种节约能源的有效工艺设大直径换热器中,振动的问题更为严重。
备,在石油化工行业中广泛使用,占我国全部换热器20世纪60年代提出了螺旋折流板的结构形产量的80%…。管壳式换热器的出现已经有上百式,但是由于制造难度较大,一直没有实现产业化。年的历史了,自20世纪70年代石油危机以来,各国1986年捷克共和国的科学家获得了螺旋折流板的对回收节约能源倍加重视,都在致利于研究各种高专利,1994年由ABBLUMMUS公司实现了制造HJ,性能换热器,从换热器的设计、制造、结构改进和传在欧美等西方国家得到了应用。自20世纪90年代热机理的试验研究一直都在进行。
末国内开始有单位研究,形成了专利并有产品在生普通的管壳式换热器采用弓形折流板旧qJ,如产中应用‘5-11]。
图l(a)。折流板与换热管垂直布置,存在流动死
弓形折流板
流动。死区。
(a)弓形折流板换热器
图l弓形折流析和螺旋折流板的对比
2螺旋折流板换热器的结构形式螺旋折箍般的结拊彤式米源于输递物抖的于啦龙,龌"n々折漉扳为建绩的嫘旋结曲.迁削f‘壳程流体占钶同怫-黝粒的场台,由T:青莨体在折流板闸是螺
旋彤流动.嗣体颗柠不岛执傲但是…J此钟连续的折流板结性l唯眦宴理折流板的制埴,后求骱墟H{
现鲫#B足断续的的拟蝶旋结构或菏称为阶梯折流
板.如斟¨}|)
断续柏的拟螺旌结构折流板管壳式换热器蝽特扣。以:于j£换热壳体内的每片折封L板为呈叫舒之一
网的扁形板,嗣形板的圆心龃乖直固定枉中心管1.
每片折流板与穿过其上的按热管斜交,在壳体内排布成近似的螺旋形,壳程^口接管相对壳体轴线偏
心市置与同规格Rd+的普通换热嚣{{1比,换热效
率提高近~倍,金属消耗垃}[|差不大、节约占地面
积.振动大大减少.安全性大大提高.具有较小的压
丸晦.节诅哥l九
螺旋折施板结构无死角,流体r口以与每一旅接热管进行热交换.迭刮提高换热效率的H的流津
在壳程内作螺旋流动由此产生的离心』J提高丁流体的湍流程度此外在流道中的换热营也破坏j7边界层而产生涡流.在较低的雷诺敞下就一,nl形成湍流.
巾j:流体的哮攘阻JJ以盟旋流和换热管昕产生的局部阻力,使椎协=产生湍动,麒『『Ii提高r传热膜系数.而在普通管壳式换热器小.流『奉在通道内作180度转向.由此损耗的压头卸起不到提高传热膜系数的作用.螺旋折流扳换热器“冉较小的趣力降卫r¨于壳悼内部介质总是ff}螺旋流道旋转流动,流速恒定.放产生振勃的虮率大大降低
螺旋折iI|c饭的结构运用于直径较太的换热嚣圈2中的螺旋折{Ii【板尤搭接,也可“冉一定的措接量,减小换热管无盘撑踌瘦,提高川度.“利于消除流捧涛导盼掀动=以上为单壳程结掏.压有以壳程
结构:图2所示为单头螺旋结构.迁确双螺旋结构和三螺旋结构,更多的螺旋结构蛮现起来比较[瞄雌.尚未见有工程应用,
搿2谶悼拄螺旋折流扳按搀器j啪々流动
2
3螺旋折流板换热器的研究
螺旋折流板按热器|;}JJ研究主要集-}一在侥程侧的流动n学研宄,宴骑泌备和上-№站并:f,传热铆压力降的研究.选取台适的蝶旋肯j求满足J:程上的需要
脚外的研究机构打羹围的传热研究公习(…11J
J
n
英国的传热技流体流动服筹r卜山HIRI的成品单他包括阿_I{r世界一流的200多家工业公司.研究丁
作追盟{寺热厦流体;i;【动的整十{碰域,拥_f『各种=蒌验
f段和挫备.所取得的研究成粜供全部成员共享.世
足不能把技术情卦{和技术数据传到非成员单位
^RBI
UMMUS公一可的传热汁算即是通过tlTRl,但
是研究工作涉厦商业秘密公开的研究资料很少
国内酉安交通太学是研究较早的单位.并且菝锔r多项专利IB斌等幂I"多孔夼雎和分布匪I力横型轩梯逼近技术刘换热器壳程恻的层流流动进行丁
教值模拟”.表州壳程蜊流体呈螺旋形流动.并1j相应的换热器冷态宜验进行了埘比研究[文献【]中J微且王同志{-秋掣等通过实验埘换热嚣进行了换热硅隔h性能研究”发现在4管程换热器中使用假管会使按热教琦兰降低流动阻力增加
相嗣雷
诺教时无中心管的结构比有中心管时高30a/n.中心符减弱r换热花相H的壳伽流量下.壳程倒换热系数随螺旋柏增大11jf碱小王良等刘螺旋角105和15。帕搀热器进行丁换热与阻力性能实验”.
华南理[大学传热强化与过程节能教育部重点实验童在强化传热和新型壳程强化传热技术^面做r大量研究.率先住螺旋折流板抉热器中采用低翅片管,寅现了传热强化”南京_[业大学张少维等对折流植间距对换热器性能群响的进行了数值研究”抚顺石油学院的研究人员等采用有机玻璃制作r螺旋折流扳换热器的攥型““.用激光测速仪详细测量丁流场的特性.研究了旋流角对建窿分布和时脉动速度的影响厦与流量的耦台是系。文章提fB台适的螺旋角为35二.宴际上证生产巾臻【x秉用机械加工的方式制造。不同的螺旋板角度,不同的布氍A式都要影响流体的速度分布.也会影响换热效果.彭杰等对螺旋折流板搭接量进行了研究“.螺旋扳搭接布置有利于降低压降.但不利于提高换热杖睾.可L』增加螺旋的虫数.使流道变窄.来提高
接热敏举
有资孝{给出了传热膜系数和压力降曲计锋公式3’.里面的参数需耍针对币同的结构采用实验的
打法确定
传热膜系数:a=告占cF。尺。nU
65P一,
(3.1)
金钢,为弹性体,由于卡门涡街的存在,会产生抖振。流体螺旋折流板换热器中折流板为连续的支撑,加其中:a一传热膜系数;
大了支撑的刚度,可以有效地防止流体诱导管子振d一换热管材料的热传导系数;
扣流道的当量直径;
动的发生,避免管头失效的发生。在直径较大的换热器中,振动危害更为明显,弓形折流板换热器不能占,c一与列管排列有关的系数;
做的太大,直径一般在1500mm以下,然后采用并,。一与螺旋角和中心圆直径有关的系数;
联或者串联布置的方式加大处理能力。如果在新建尺,一雷诺准数;装置中采用螺旋折流板换热器,在保证同等的处理P,—普兰德准数。
能力的前提下,可以减少换热器的台数,减少占地面
压力降:△Po=以Nff,fc"yu2/29一
(3-2)
积,减少固定资产投资。由于螺旋折流板换热器失
其中:N。一螺旋的圈数;
效的概率大为减少,也降低了企业的检维修费用。
N,一每圈的管排数;
.4
当直径较小时。螺旋折流板的强化换热的优点专,一与螺旋角和中心圆直径有关的系数;不够明显,因此不适用于直径较小的换热器,直径一专。一与列管排列有关的系数;
般在qD500—43000之间。石油化工行业中许多物料7一流体的重度;为有毒、易燃或易爆的危险品,换热器管子的损坏或u一流体的线速度;管头的泄露具有较大的危险性,而且造成环境污染,g一重力加速度。
因此传统的换热器结构形式需要改进,螺旋折流板4螺旋折流板换热器的应用
换热器必将得到广泛应用。螺旋折流板换热器尤其壳程侧需要强化传热的场合,可以在除蒸发器外的
螺旋折流板换热器于20世纪90年代中期首先几乎所有场合替代弓形折流板换热器。外螺纹低位在西方工业国家得到应用,截止2002年约有350台翅片管和螺纹槽管等的强化传热换热管在螺旋折流设备投入使用。抚顺石油化工厂1998年在催化塔板换热器中同样适用。冷凝器中使用了螺旋折流板结构。北京东方亿鹏传热有限公司生产了生产了多台螺旋折流板换热器,5螺旋折流板换热器的制造
用在中国石化和中国石油的下属企业中。
国内从事研究的专家大部分是工程热物理与传有资料表明[21-z4],螺旋折流板换热器和弓形折质或者化学工程专业的,机械工程和机械制造专业流板换热器在操作参数和结构参数相同的情况下,的较少,关于螺旋折流板换热器的制造技术,公开的传热膜系数提高91%,压力降减小了21%,而设备资料很少。山西华泰工程公司制造的连续螺旋折流净重基本持平。当生产装置进行扩能改造时,原有板换热器,螺旋板厚度较薄,加工成椭圆孔,然后拉的的弓形折流板换热器处理能力不够,需要扩大换伸成螺旋状,此种方法是十分难以实现的。螺旋折热面积或者串联并联换热器,而由于场地的的原因,流板与换热管不垂直相交,折流板上的管孔为斜孔。没有地方布置,此时可以简单的将弓形换热器的管齐鲁石化公司机械厂使用MCV一1700加工中心机
束更换为螺旋折流板结构,实现扩能的目的。
床Ⅲ翊】,将折流板掉转固定角度,采用宏指令编制
在装置长期运行过程中,由于管壁上结垢严重,数控加工程序,配合特殊的刀具实现了折流板的制造成传热膜系数严重下降。如果壳程侧流体粘性较造。
大,或者存在固体颗粒,很容易在管壁上结垢或者沉螺旋折流板制造难度远远大于弓形折流板,需
积,通常是频繁地停车检修,将管束抽出进行清洗,要专门的数控机床和加工刀具,这也是影响螺旋折
严重降低生产效益。如果采用螺旋折流板,由于壳流板换热器推广的主要原因。多家研究机构都得出程侧为近似的柱塞流,没有死区,延缓了结垢的产了适宜的螺旋角在35。左右的结论,如果采用如此
生。洛阳炼化公司在原料油换热器中采用螺旋折流大的螺旋角,当折流板直径较大时,由于刀具与折流
板结构对原有的弓形折流板结构进行了改造ⅢJ,大板斜交,势必造成用于孔加工的刀具具有很大的长大延长了停车检修和清洗的周期,提高了经济效益。
度,并且开始加工孔的初始位置和终了位置都不一弓形折流板换热器由于弓形缺口的存在,使换致,是一种难度很大的深孔加工,必须用特殊的机床热管支撑跨度加大,换热管材料一般为低碳钢或合
和特殊的深孔加工刀具来实现。考虑实际制造的可
・13・
行性,螺旋角度应控制在5-150之间为宜,并采用断续拟螺旋的折流板结构。6需要解决的问题
目前螺旋折流板换热器的研究尚处于起步阶段,高校用于实验的模型尺寸太小,研究的结果还达不到工程实践应用的要求,应该产学研相结合,在企业投用的装置上实地获取足够的实验数据,建立传
热和流动的数学模型,开发通用的传热计算软件,满
足工程实践的需要。目前已有更多的企业认识到了螺旋折流板换热器的优越性能,愿意在装置中采用,但是限于机械制造技术,一直难于大量生产。采用
先进制造技术和改造数控机床,利用深孔钻削技术
和BTA钻头解决折流板加工的难题,提高生产效率,加快螺旋折流板换热器的推广应用是迫切需要解决的问题。
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编:255400
作者简介:王正方,男,1971年生,高级工程师。1993年毕业
于南京理工大学,现中国石油大学(华东)博士研究生,主要从事化工机械及制造自动化方面的工作,在国内刊物及学术会议上发表论文15篇,获得专利授权1件。通讯地址:齐鲁石化公司机械厂设计室。邮
TEL:0533—7589073,7512361
E—MAIL:7582862@QLSL.NET