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哈雷釬焊板式換熱器
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搭接螺旋折流板換熱器殼程流動特性研究

點擊:1771 日期:[ 2014-04-26 22:54:54 ]
                            搭接螺旋折流板換熱器殼程流動特性研究                             孫琪 陳佳佳 朱瑩 王海秀 王樹立                                        (江蘇工業學院)    摘要:用激光測速儀測量了搭接螺旋折流板換熱器的流場特性,著重研究了螺旋折流板傾角為35°,相對搭接量為10%、15%、20%、25%、30%、35%時的速度分布、脈動速度及摩擦阻力規律,并就速度分布對換熱性能及阻力的影響以及搭接量對有效換熱面積的影響做了分析和討論。在搭接區,軸向速度明顯增大,出現峰值,切向速度分量明顯減小。隨著搭接量的增大,流動摩阻損失逐漸減小;搭接可增大換熱流程,有利于強化傳熱。    關鍵詞:螺旋折流板換熱器 搭接 流動特性 激光測速儀    中圖分類號:TQ051·5   文獻標識碼:A   文章編號:0254-6094(2008)01-0010-04    傳統的管殼式換熱器多采用弓形折流板,它的優點是結構簡單、制造方便,其缺點是流動死區大、換熱系數小、流動壓降大。為了解決上述問題,有關學者提出了將管殼式換熱器折流板設計成與殼體橫斷面有一個傾斜角度(即旋流板角度),使流體在殼程旋轉流動,稱為螺旋折流板換熱器[1]。螺旋折流板換熱器中旋流板的搭接方式是指前后兩塊旋流板在布置上的相對位置,通常分首尾連接和按一定比例重疊搭接,不同搭接方式會呈現出不同的流道結構,從而影響換熱特性。螺旋折流板換熱器中螺旋流道的螺距與旋流角有關,旋流角小,流動阻力大,但螺距小,流程長;旋流角大,流動阻力小,但螺距大,流程短[2~5]。若要兼顧兩者的優點,可選取折流板搭接布置的結構,本文僅對該搭接結構的換熱器流場中殼程流動特性做了實驗研究,并得出了相應的結論。    1 實驗設備及實驗方法    實驗用換熱器由有機玻璃制作,殼體尺寸為200mm×6mm×3000mm,換熱管外徑為15mm,共52根,叉排布置。為消除圓形殼體折射影響在外邊安裝了用玻璃制做的方水盒。實驗介質為常溫下自來水,循環水泵將水箱中的水打出經轉子流量計計量流量(流量范圍為10~35m3/h),然后進入換熱器,用倒U形管差壓計測量換熱器壓降。氬離子激光器(功率為1W)和接收單元都放在三維坐標架上,坐標架精度為0.1mm。測量系統(圖1)可沿水平和垂直方向移動。               折流板布置如圖2所示,設相對搭接量e=l/L×100%((l為搭接量,L為折流板邊長),e分別取10%、15%、20%、25%、30%、35%,旋流角α取35°,測量位置選在流道相鄰折流板中間,沿徑向選取10個測點(δ=r/R,r為徑向位置,R為殼體內徑)。                   2 結果分析    2.1 搭接量對速度分布的影響    在流量為22.8m3/h時,不同搭接量對速度分布的影響如圖3所示。    由圖3可以看出,相同的搭接量,流量改變時對流動結構影響不大,只是流速數值大小上有相應變化,脈動速度在折流板搭接點處有明顯增強,它是反映湍流程度的參數。    實驗結果還將搭接螺旋折流板換熱器內徑向流動結構分為3個區域:a.低速區,在換熱器軸心附近約1/4內的區域,該區域內切向速度與軸向速度都比較小,屬緩慢螺旋流;b.軸流區,靠近殼壁處的搭接區域內,該區域內有折流板搭接形成的菱形缺口,流體在此沿殼壁流過,使軸向速度明顯增大,出現峰值,切向速度明顯下降;c.旋流核心區,介于低速區與搭接區之間,該區域內切向速度大于軸向速度,并有明顯的旋流特征,是換熱效果最好的區域。    2.2 搭接對壓降的影響    壓降是換熱器的重要性能指標之一,低壓降和大換熱系數是換熱器設計的目標。通常用歐拉準則來描述換熱器壓降:             圖4給出了幾個不同流量下歐拉數和搭接量關系曲線。由圖4可以看出,搭接量對壓降的影響很明顯,隨著搭接量的增大,壓降呈下降趨勢。這是由于在搭接區內流體沿換熱管的軸向流動產生的阻力較小的緣故。                     2.3 搭接對流程長度的影響   從圖5的幾何關系可看出,傾角為α的折流板無搭接時的螺距為x,有搭接時的螺距為x′,縮短了Δx。由此可見,折流板的搭接布置,可使螺旋流道的螺距減小。而螺距減小,流程就會相對變長,流體在殼程停留時間也會延長,相當于增大了有效換熱面積。                     由圖6可以得出,搭接量與換熱器有效流程長度的提高呈上升曲線關系??梢?在旋流角α不變的情況下采用搭接結構,能大幅增加流體與換熱管的接觸面積,從而提高換熱效果。                     3 結論    3.1 螺旋折流板前后搭接布置,在旋流角α不變的情況下可增加流程,相當于增大了換熱面積,提高換熱效果,起到強化傳熱的目的。    3.2 螺旋折流板換熱器殼程流體流動呈現了3個區域:分別為低速區、軸流區和旋流核心區。由于熱量傳遞受動量傳遞支配,流動形態的差異會導致換熱強度在3個區域也不同,因而可以考慮在搭接區域加擋板來減弱軸向流動,增強切向流動,從而進一步提高換熱效果。    3.3 隨著搭接量的加大,流動阻力損失明顯下降,這就對高粘度介質的換熱更適合采用搭接結構的換熱器。    參考文獻    1 LutuhaJ,NemcanskyJ.PerformanceImprovementofTu-bularHeatExchangersbyHelicalBaffles.TransIChemE,1990,68(3):263~270    2 StehlikP.ComparisonofCorrectionFactorsforShell-and-TubeHeatExchangersWithSegmentalorHelicalBaffles.HeatTransferEngineering,1994,15(1):55~65    3 王良,羅來勤,王秋旺等.螺旋折流板換熱器阻流板對換熱及流動壓降的影響.工程熱物理學報,2001,22(6):173~176    4 WangShul.iHydrodynamicStudiesonHeatExchangersWithHelicalBaffles.HeatTransferEngineering,2002,23(3):43~49    5 王素華,王樹立,趙志勇.螺旋折流板換熱器流動特性研究.石油化工高等學校學報,2001,14(1):64~67
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