螺旋與弓形折流板換熱器性能對比及螺旋角優(yōu)化_楊軍

1、第 25卷第 2期 遼 寧 石 油 化 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) Vol. 25No. 2 2005年 6月 JOU RN AL OF L IAON IN G U N IV ERSIT Y OF PET ROLEU M &CH EM ICAL T ECH NOL OGY Jun. 2005文章編號 :1672-6952(2005 02-0059-04螺旋與弓形折流板換熱器性能對比及螺旋角優(yōu)化楊 軍 , 陳保東 *, 孫成家(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 , 遼寧撫順 113001摘 要 :對螺旋角為 12、 18、 30、 40b 的 螺旋 折流 板換 熱器 進(jìn)行 傳熱 和壓 降 性能 測試 。 應(yīng)用

2、英 國傳 熱協(xié) 會 的 T asc3軟件對弓形折流板換熱器的運(yùn)行情況進(jìn)行了模 擬 , 得到了相應(yīng)結(jié)構(gòu)下的 總傳熱系數(shù) 和壓降值 。 通 過數(shù)據(jù)的 計(jì) 算整理 , 在相同流量下 , 進(jìn)行了不同螺旋角的螺旋折流板換熱器與弓形 折流板換 熱器在單位 壓力降下總 傳熱系數(shù) 的 對比 , 同時對 12、 18、 30、 40b 螺旋角的螺旋折流板換熱器的殼程膜傳熱系 數(shù)及壓降進(jìn) 行對比研 究 , 優(yōu) 化螺旋角 。 實(shí) 驗(yàn) 結(jié)果表明 , 實(shí)驗(yàn)用 12、 18、 30、 40b 螺旋角的螺旋折流板 換熱器 的總傳 熱系數(shù) 要比相應(yīng) 結(jié)構(gòu)下 的弓形 折流板 換熱器 高 59. 48%以上 , 研究表明 , 實(shí)

3、驗(yàn)條件下 , 18b 螺 旋角的螺旋折流板換熱 器的綜合傳 熱性能 要優(yōu)于 12、 30、 40b 螺 旋角的 螺 旋折流板換熱器 。關(guān)鍵詞 :螺旋角 ; 螺旋折流板 ; 弓形折流 板 ; 傳熱系數(shù) ; 換熱器中圖分類號 :T Q 021. 3文獻(xiàn)標(biāo)識 碼 :APerformance Comparison Betw een Helical and Segmental Baffle Board H eat Exchangers and Optimization of H elix A ngleYANG Jun, CH EN Bao-dong *, SUN Cheng-jia(School of

4、M echanical Engineer ing , L iaoning University of Petroleum &Chemical T echnology ,Fushun L iaoning 113001, P. R. ChinaReceived 30Sep tember 2004; r evised 15January 2005; accep ted 10M ar ch 2005 Abstract:Performance test of heat transfer and pr essure drop w as do ne in the helical baffle heat ex

5、changers with helix angle of 12b , 18b , 30b and 40b . A pplying a software T asc3o f British Heat T ransfer Association, the operation situation of heat ex chang ers of seg mental baffle board w as simulated, and the value of heat coefficient and pressure drop was obtained. T hrough data computatio

6、 n, under the same flow quantity , the overall coefficient per pressure drop of helical baffle board heat exchangers with different helix angles w as compared w ith those of segmental baffle board heat exchangers. M eanwhile, the coefficient at shell side and the pressure drop w ere studied contrast

7、ively for differ ent helix angles of 12b , 18b , 30b and 40b , and helix angle w as optimized. T he results show t hat the overall heat coefficient of helical baffle board heat ex chang ers in our tests is higher 59. 48%than that o f segmental baffle board heat ex changers o f correspo nding structu

8、r es. U nder the test condit ion, the general per for mance of baffle heat exchanger w ith helix angle of 18? is better than baffle heat exchanger with helix angle 12b , 30b and 40b .Key words:Helix angles; Helical baffle board; Segmental baffle board; Coefficient of heat transfer; Heat exchanger*Co

9、rresponding author. T el. :+86-413-6865188; fax:+86-413-6860766; e-mail:baodong 24088yahoo. com. cn流體在弓形折流板換熱器殼程流動時 , 存在沿 程阻力大、 /死區(qū) 0、 誘導(dǎo)換熱管的振動等問題。近幾收稿日期 :2004-09-30作者簡介 :楊軍 (1977- , 男 , 遼寧撫順市 , 在讀碩士 。 *通訊聯(lián)系人 。 年的研究表明 1-8, 在相同條件下螺旋折流板換熱 器 , 由于流體在殼程呈螺旋形流動 , 不但可以降低沿 程阻力、 解決 /死區(qū) 0問題、 緩解振動 , 同時由于管子 上的邊界

10、層會產(chǎn)生螺旋狀的流路 , 使邊界層減薄并 增強(qiáng)邊界層的擾動性 , 從而增大傳熱效率 , 提高了換本文分別對 12、 18、 30、 40b 螺旋角的螺旋 折流 板換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試 , 研究螺旋折流板換熱器 的傳熱及壓降特性 , 并與弓形折流板進(jìn)行性能對比。 同時在實(shí)驗(yàn)條件下 , 對上述 4種螺旋角的螺旋折流 板換熱器進(jìn)行傳熱性能和壓降的優(yōu)化研究。1 實(shí)驗(yàn)部分1. 1 實(shí)驗(yàn)流程本實(shí)驗(yàn)用 介質(zhì)為 柴油和水。實(shí)驗(yàn)包 括兩個 循 環(huán) , 如圖 1所示。一個循環(huán)由螺旋折流板換熱器 1的管程、 冷水儲罐 4、 泵 8和轉(zhuǎn)子流量計(jì) 6組成的冷 流體循環(huán)系統(tǒng) ; 另一個為螺旋折流板換熱器 1的殼 程和熱油

11、儲罐 2、 泵 8c 、 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 6c 組成的熱流體 循環(huán)系統(tǒng)。加熱裝置是由布置于熱油儲罐 2內(nèi)的加 熱棒組成。1. 2 實(shí)驗(yàn)組件參數(shù)本實(shí)驗(yàn)的芯組都是由 44根管長 2498mm, 19mm 2. 0mm 換熱管排成。表 1 不同螺旋角的換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 項(xiàng)目 12b 18b 30b 40b 殼體直徑 /mm 250250250250管程數(shù) 2222管子長度 /mm 2498249824982498管子直徑 /mm 19191919 2 數(shù)據(jù)處理整個測試包括殼程阻力性能和殼程傳熱性能兩 部分 , 測試中管程為循環(huán)水 , 殼程為柴油。設(shè)定管程 流量 , 改變殼程流量并測量記錄不同流量下殼程流

12、體進(jìn)出口溫度。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)及公式建立管外膜傳 熱系數(shù)公式基本形式 , 在換熱器試驗(yàn)測試中當(dāng)冷流 體吸熱量 Q c 和熱流體方熱量 Q h 滿足 (Q h -Q c /Q h 10%時 , 認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠 , 予以采用。公式形式的確定使用的是以殼側(cè)總流率為基礎(chǔ) 的 KERN 法。應(yīng)用 Sigm aplot 軟件回歸出相應(yīng)的參 數(shù)。公式的基本形式 :h 0=aRe b Pr 1/3K 0/d e h 0 殼層的傳熱系數(shù) , W/(m 2#K ; a 、 b 待定參數(shù) ; Re 殼層雷諾數(shù) ; Pr 殼層流體普蘭特?cái)?shù) ;K 0 殼層流體導(dǎo)熱系數(shù) , W/(m #K ; d e 當(dāng)量直徑 , m m

13、 。3 結(jié)果與討論3. 1 螺旋與弓形折流板換熱器性能對比本實(shí)驗(yàn)使用英國傳熱協(xié)會的 TASC3軟件模擬 與螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)相似的弓形折流板換熱器 的運(yùn)行狀況。弓形折流板的間距等于螺旋折流板換熱器的螺距 , 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與螺旋折流板相同。本文采用在相同流量下 , 對比單位壓降的總傳 熱系數(shù)的方法來對螺旋折流板與傳統(tǒng)弓形折流板的 性能進(jìn)行比較 , 如圖 2所示。60 遼寧石油化工大學(xué)學(xué) 報(bào) 第 25卷 由圖 2可見 , 在實(shí)驗(yàn)條件下 , 以柴油和水為介 質(zhì) , 12、 18、 30、 40b 螺旋角的螺旋折流板換熱器與相 應(yīng)的弓形折流板換熱器相比在傳熱性能上有較大的 提高。其中 12b 螺旋角

14、流 量在 818m 3/h 的范圍 內(nèi)、 螺旋 折流板 的總傳 熱系 數(shù)要高 于弓 形折 流板 59. 48%以上 ; 18b 螺旋角流量在 818m 3/h 的范圍 內(nèi)、 螺旋 折流板 的總傳 熱系 數(shù)要高 于弓 形折 流板 62. 69%以上 ; 30b 螺旋角流量在 524m 3/h 的范圍 內(nèi)、 螺旋 折流板 的總傳 熱系 數(shù)要高 于弓 形折 流板 63. 31%以上 ; 40b 螺旋角流量在 720m 3/h 的范圍 內(nèi)、 螺旋 折流板 的總傳 熱系 數(shù)要高 于弓 形折 流板 90. 31%以上。3. 2 不同螺旋角的螺旋折流板換熱器性能對比 圖 3、 4為實(shí)驗(yàn)測試得到不同螺旋角的螺

15、旋折流 板換熱器在相同流量下殼程傳熱系數(shù)及壓降進(jìn)行對 比 , 研究實(shí)驗(yàn)條件下不同螺旋角的螺旋折流板的傳 熱及壓降性能。61第 2期 楊 軍等 . 螺旋與弓形折流板換熱器性能對比及螺旋角優(yōu)化由圖 3、 4可見 , 在實(shí)驗(yàn)條件下 , 對 12、 18、 30、 40b 螺旋角的螺旋折流板換熱器的測試中發(fā)現(xiàn) :當(dāng)雷諾 數(shù)在 50100范圍內(nèi) , 18b 螺旋角的螺旋折流板換熱 器殼程傳熱系數(shù)要比 12b 高 14. 2%23. 3%、 比 30b 高 33. 3%41. 8%、 比 40b 高 3%8%; 在壓降對比 中 , 當(dāng)流量在 412m 3/h 范圍內(nèi) , 4種螺旋角中 30b 螺旋角壓降較

16、低 , 但當(dāng)流量在 1219m 3/h 范圍內(nèi) 18b 螺旋角壓降較低 , 并且隨著流量的增加 18b 螺旋 角的壓降增幅也最小。綜合計(jì)算得 , 在實(shí)驗(yàn)條件下 18b 螺旋角的螺旋折流板換熱器的單位壓降的傳熱 系數(shù)比 12、 30、 40b 高。從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以得出螺旋折流板 換熱器的傳熱效率要高于相應(yīng)結(jié)構(gòu)下的弓形折流板 換熱器 , 但在一定的結(jié)構(gòu)下螺旋角的優(yōu)化問題以及 其它介質(zhì)運(yùn)行時的傳熱性能情況等問題還存在不確 定性 , 還需要進(jìn)一步的研究。參 考 文 獻(xiàn)1Kr al D, StehlikRick P. Helical baffles in shell-and-tube heat

17、 ex chang ers, par t :exper imental verificationJ. Heat transfer eng ineering, 1996, 17(1 :93-101.2Sedlacek J, Nemcansky J. Joderna energieJ. N uclear ener gy, 1984, (2 :63.3陳世醒 , 張克錚 , 張強(qiáng) . 螺旋折流板換熱器的開發(fā)與研究 J.撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào) , 1998, 18(3 :31-38.4L utuha J, Nemcansky J. Performance improvement of tubular hea

18、t exchangers by helical baffles J. T rans. ICHM E, 1990, 68 (A :263-270.5Stehlik P, Nemcansky J, Kral D. Comparison of correction factors for shell and tube heat ex changers w ith segmental or helical baffles J.Heat transfer engineering, 1994, 15(1 :55-65.6趙曉曦 , 鄧先和 . 螺旋折流板菱形翅片管換熱器的傳熱與流 阻性能 J. 化 工學(xué)報(bào) , 2003, 54(3 :388-341.7徐彬 , 張麥貴 . 螺旋折流板換熱器在常減壓裝置中的應(yīng)用 J. 石油化工設(shè) 備 , 2003, 32(5 :53-54.8張平亮 . 新型高效換熱器的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用 J.壓力容器 ,