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鈦制螺旋波紋管高效換熱器的研發及應用

錄入時間:2010/6/12 0:12:11

摘要:介紹了鈦制螺旋波紋換熱管的結構特點、傳熱性能、阻力特性、模擬計算、制造工藝,并列舉了螺旋波紋管高效換熱器在上海石化股份公司乙烯工程中實際應用效果,指出鈦制換熱器是很有推廣應用價值的高效節能產品,有廣闊地發展前景。
  1.概述

  近二十年來,我們開發了多種形式的高效換熱元件,如T型槽道管換熱器、內波外螺紋管換熱器、螺旋波紋管換熱器、高熱通量換熱器及管內插入件換熱器等,廣泛用于工礦企業的擴能改造,大大降低了設備投資和操作費用,為企業帶來了可觀的經濟效益。特別是鈦制高效換熱器,以獨特的耐腐蝕、不污染、換熱效率高和可靠性好等特點,廣泛應用于電站海水凝汽器、氯堿工業水預熱器、純堿工業冷凝器、加熱器等裝置中[1~3],應用前景將更為廣闊。

  2.結構與性能

  鈦管具有耐腐蝕性好,可靠性高,壽命長,經濟合理等特點。鈦制螺旋波紋管換熱器保持了管殼式換熱器使用溫度、壓力、流量、熱負荷的一般要求,設計方法及加工技術成熟,可用于某種腐蝕介質條件下。鈦制螺旋波紋管換熱器可在保持管殼式換熱器殼體、管板、管箱、支撐件等結構不變的條件下,采用螺旋波紋管換熱元件及局部改進,達到冷熱兩側流體強化傳熱的目的。

  鈦制螺旋波紋管是經過特殊滾軋工藝加工、具有雙面環狀螺旋波紋形槽道的強化傳熱管,見圖1。換熱基管的直徑Φ10~Φ60 mm,波峰與波谷間距離0.2~1.8 mm,壁厚0.5~3.0 mm,波距1.5~15 mm。管內外壁存在波峰、波谷可有效提高紊流的脈動性,改變流體流動狀態,鈦制螺旋波紋管的兩端保留原來光滑管表面,以便與管板的脹焊連接性能,確保了換熱器的結構強度及使用壽命[4~6]。

  經強度和拉力試驗,在壓力達到64 MPa,保壓30 min,不泄漏,不發生宏觀永久變形。

 

  鈦制螺旋波紋管的主要傳熱特點:①表面光潔,無垢層,污垢系數(ξ)大大降低。②強度高、耐腐蝕性好,因而管壁可以比較薄,減少導熱熱阻δ/λ。③管內外螺旋波紋形成的凹凸結構,即波谷和波峰可有效提高管內外流體紊流的脈動性,改變流體與管壁及流層之間的摩擦,減少層流厚度,促進湍流,即使在流速低時,也能達到充分湍流,增強對流換熱,另外螺旋波紋結構對污垢有自清理作用,因為污垢一般是沿著波峰邊緣形成平行的垢層,在運行時隨溫度變化,管子會膨脹和收縮,污垢與金屬的熱膨脹系數相差較大,加之流體的脈動性,會阻止污垢生成,實現自動清理。

  通過對比實驗,鈦制螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比,其傳熱系數K會提高1.3~2.6倍,效果非常明顯。

  鈦制螺旋波紋管的阻力特性受換熱元件的結構影響,波峰波谷引起流體脈動充分湍流而強化傳熱的同時,與光管相比較,隨波谷與波峰的間距和波距的不同,其阻力增加1.15~2.3倍,殼程阻力增加約1.3倍左右[7],與其他強化傳熱元件相比,阻力增加幅度比較小,換熱系數增加顯著。

  3.數值實驗與應用實例

  受工藝條件的限制,大型換熱器的傳熱和流動試驗相對比較困難,用解析方法求解,要作出大量的簡化假設,準確度較差。

  數值模擬又稱數值實驗,它能很好解決這一難題,計算結果與工業考核基本一致,其準確度得到工程技術人員的認可。我們采用fluent軟件對螺旋波紋管和光管的管內外傳熱和阻力性能作了模擬,如圖2~4所示,工藝物性條件和進口流速條件均設定為一致。

 

  由上圖可以看出,當流體流過管內時在凹凸面的波峰與波谷間會產生速度、壓力突變,從而破壞層流底層,即使在較低的流速下也能達到湍流。正是這種較大的擾動破壞了邊界層熱阻,實現了管內強化傳熱。為大型換熱器的試驗和設計提供了充分的理論基礎。

  鈦制螺旋波紋管換熱器已用于上海石化乙烯潤滑油系統冷卻器中,管程介質是海水,材料是TA2,換熱管使用的是螺旋波紋管,殼程介質是潤滑油,材料是Q235-B[8]。自2006年9月投用至今,運行結果表明,操作平穩,熱負荷約提高30%,各項工藝指標達到了設計指標,在節能改造中取得了明顯的經濟效益。

  4.結論

  4.1鈦制螺旋波紋管換熱器與光管換熱器相比,其傳熱系數可提高1.3~2.6倍,有效地多回收熱量。

  4.2與光管換熱器相比,鈦制螺旋波紋管換熱器結構形式和外形尺寸完全相同,有較好互換性和適應性。

  4.3鈦制螺旋波紋管換熱器對蒸餾水、海水、酸堿鹽溶液具有優異的耐腐蝕性,使用壽命可達20年以上。

  4.4鈦制換熱器具有自清污垢作用,能保持穩定長期的強化傳熱效果和操作周期。

  4.5由于鈦制換熱器材料密度小、強度高,可減小設備體積和重量。

  總之,鈦制換熱器是很有推廣應用價值的高效節能產品,近幾年來應用領域不斷擴大,表現出了廣闊地發展前景。

 
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