（工程热物理专业论文）窄扁管水水换热器流动与传热特性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： f f f i f 删i j j | f i i l l l y 1 8 0 9 0 彳“3 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g s t u d y o nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e p r o p e r t i e so f w a t e r - - w a t e rf l a tt u b eh e a t e x c h a n g e r 1 一 c a n d i d a t e ：w a n gg a n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u nz h o n g n i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y2 010 d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h2 01o u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 一 羞 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ： 州 日期： 7 0 1 0 年弓月z 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可耐在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：久神l导师( 签字) ：矧、牛彳 j 日期： 1 矿7 p 年弓月码日加d 年了月衫目 一 。 哈尔滨i ：稗人学硕十学何论文 于两斐 水一水换热器广泛应用于现代工业，现阶段普遍应用的两种换热器是管 壳式换热器和板式换热器。管壳式换热器承压能力高，但换热效率低；板式 换热器换热效率高，但承压能力低，并且制造工艺复杂，造价高。本论文设 计并制造一台高效水一水换热器，用扁换热管代替圆换热管，使之兼有两种 换热器的优点。为了便于对比，同时设计制造了一台传统管壳式换热器。 本文采用单相水为工质，对扁管壳式换热器进行了大量的实验研究，分 析管程流量，壳程流量等因素对其传热和阻力性能的影响。在相同的工况下 对传统圆管壳式换热器进行了同样的实验，与扁管壳式换热器进行对比。 对扁管壳式换热器各工况下传热与流动特性分析得知，管内雷诺数在 4 0 0 0 - - , 2 5 0 0 0 范围内，随着雷诺数升高，换热量增大，管内换热系数提高。同 时，管程阻力增大，且增大倍数比换热系数大，致使管程综合性能下降。对 管外流动阻力分析时，重点分析了管束与折流板造成的阻力，并拟合壳程压 降的关联式。在固定管程体积流量和热水入口温度为6 0 。c 的实验条件下，随 着热水流量的升高，总传热系数增幅呈减小趋势。 两种换热器的对比实验研究结果表明：新型扁管壳式换热器具有单位体 积换热量大，换热系数高的优点。本实验范围内，在固定壳程体积流量和热 水入口温度6 0 的实验条件下，扁管壳式换热器与圆管壳式换热器相比，单 位体积换热量提高了2 3 旷4 8 。同时管程阻力压降升高7 6 - - , 9 0 ，壳程阻 力压降降低7 7 。 通过实验研究，发现扁管壳式换热器有单位换热量高，传热系数大，壳 程阻力小等优点，具有良好的发展f j 景。 关键词：管壳式换热器；扁管；传热；流动 f 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 a b s t r a c t w a t e r w a t e rh e a te x c h a n g e ri sw i d e l yu s e di nm o d e m i n d u s t r y , i nm o r d e r n s o c i e t y ，s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e ra n dp l a t eh e a te x c h a n g e ra r ew i d e l yu s e d s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e rh a sah i g hp r e s s u r ec a p a b i l i t y ，b u ti t sh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yi sl o w ；a l t h o u g ht h ep l a t eh e a te x c h a n g e rh a sh i g he f f i c i e n c yo fh e a t t r a n s f e r , i t sp r e s s u r ec a p a b i l i t y i s l o w ，i t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si sm o r e c o m p l e x i t ya n di t sc o s ti sh i g h e r i nt h i sp a p e r , id e s i g na n dm a n u f a c tah i g h e r e f f i c i e n tw a t e r - w a t e rh e a te x c h a n g e r m yh e a tt r a n s f e ri sf l a t ，n o tr o u n d b u ti t h a st h eb o t ha d v a n t a g e so ft h et w oh e a te x c h a n g e r s i no r d e rt oc o m p a r ew i t h o t h e rh e a te x c h a n g e r , id e s i g na n dm a n u f a c t u r eac o n v e n t i o n a ls h e l la n dt u b eh e a t e x c h a n g e r i nt h i sp a p e r , t h es i n g l e - p h a s ew a t e rw o r k i n ga st h em e d i u m ，im a k eal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o rt h ef l a ts h e l la n dt u b e h e a t e x c h a n g e r , a n a l y s i s i n gt h et u b ef l o w ，s h e l lf l o w ，a n do t h e rf a c t o r se f f e c t i n gt h eh e a tt r a n s f e r a n dd r a gp e r f o r m a n c e i nt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，im a k et h es a m e e x p e r i m e n tt ot h et r a d i t i o n a ls h e l l - a n dt u b eh e a te x c h a n g e r ，c o m p a r i n gw i t ht h e f l a ts h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r t oa n a l y s ef l a ts h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r sh e a tt r a n s f e ra n df l o wi n v a r i o u so p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i ti n d i c a t e dt h a tt h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e d ， h e a tt r a n s f e ri n c r e a s e sa n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n yi n c r e a s e dt o o ，w h e nt h e t u b er e y n o l d sn u m b e rc h a n g e e sb e t w e e n4 0 0 0 2 5 0 0 0 m e a n w h i l e ，i ft h et u b e r e s i s t a n c ei n c r e a s e s ，a n di t sc o e f f i c i e n yi n c r e a s e sl a r g e rt h a nt h eh e a tt r a n s f e r s ，i t r e s u l t sa to v e r a l lp e r f o r m a n c ed e c r e a s e w h e nm y p a p e ra n a l y s i n gt h ep i p ef l o w r e s i s t a i l c e ，if o c u so na n a l y z i n gt h er e s i s t a l l c em a k e db yt u b e sw i t hb a f f l e f i x e d t u b ev o l u m ef l o wa n dh o tw a t e r si n l e tt e m p e r a t u r ea t6 0 。c ，w h e nt h eh o tw a t e r s f l o wi n c r e a s e s ，t h eo v e r a l lh e a tt r a n s f e r sc o e f f i c i e n yi sr e d u c e 卜 0 哈尔滨i ：科人等硕十学何论文 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w ok i n d so fh e a te x c h a n g e r ss h o w st h a t ：t h e n e wf l a ts h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e rh a sa d v a n t a g e so f l a r g e rh e a tt r a n s f e rp e r u n i tv o l u m ea n dh i g h e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n y i nm y e x p r i m e n t ，f i x i n gt h et u b e v o l u m ef l o wa n dh o tw a t e r si n l e tt e m p e r a t u r ea t6 0 ( 2 ，c o m p a r i n gt or o u n dh e a t e x c h a n g e r s ，p e ru n i tv o l u m ei n c r e a s e sb y2 3 4 8 a tt h es a m et i m e ，p r e s s u r e d r o po ft h et u b er e s i s t a n c ei n c r e a s e sf r o m7 6 t o9 0 a n dt h es h e l lr e s i s t a n c e p r e s s u r ed r o p e s7 7 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，if i n dt h a tf l a ts h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e rh a s m a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，i t su n i tv o l u m et r a n s f e r sm o r eh e a t ，t h eh e a t t r a n s f e r sc o e f f i c i e n yi sl a r g e r , t h es h e l lr e s i s t a n c ei ss m a l l e r ，e t c t h ef l a ts h e l l a n dt u b eh e a te x c h a n g e rw i l lh a v ea g r e a td e v e l o p i n gp r o s p e c t k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；f l a tt u b e ；h e a tt r a n s f e r ；f l o w 卜 2 2 换热器基本结构参数一1 8 2 3 换热器加工工艺改进2 0 2 4 本章小结2 2 第3 章实验装置及实验数据处理方法2 3 3 1 实验装置2 3 3 1 1 循环水系统2 3 3 1 2 电加热系统2 4 3 1 3 测量系统2 5 3 2 实验系统调试2 6 3 2 1 铠装热电偶的标定2 6 3 2 2 差压变送器的标定_ 2 7 3 2 3 系统调试2 9 3 3 实验步骤及注意事项一3 0 3 3 1 实验步骤3 0 哈尔滨f ：程人学硕十学何论文 3 3 2 实验注意事项3 2 3 4 实验处理方法一3 2 3 4 1 管壳式换热器换热量计算3 2 3 4 2 换热系数的计算3 4 3 4 3 换热器温度效率计算3 5 3 4 4 换热管水力半径、当量直径及雷诺数的计算3 5 3 5 本章小结3 7 第4 章扁管管壳式换热器传热与流动分析3 8 4 1 扁管管壳式换热器换热性能分析3 8 4 1 1 换热性能随冷水流速变化趋势分析3 8 4 1 2 换热性能随热水流速变化趋势分析3 9 4 2 扁管壳式换热器阻力性能分析4 2 4 2 1 管程压降分析4 2 4 2 2 壳程压降分析4 3 4 3 扁管壳式换热器壳程阻力公式拟合4 4 4 4 本章小结4 8 第5 章圆管与扁管壳式换热器性能分析5 0 5 1 圆管壳式换热器与扁管壳式换热器换热性能分析5 0 5 2 圆管壳式换热器与扁管壳式换热器阻力性能分析5 3 5 2 1 管程阻力对比分析5 3 5 2 2 壳程阻力对比分析5 4 5 3 本章小结5 6 结j 沦5 7 参考文献5 9 攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果6 3 致 射6 4 哈尔滨t 群人学硕十学1 = 7 ：论文 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究的意义 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换 热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于化工、炼油、动力、冶 金、原子能等工业部门中。有关资料表明，在许多重要工业部门中，换热器 在金属消耗、动力消耗和投资方面等在整个工程中均占有相当大的份额。例 如，在热电厂中，换热器的投资约占电厂总投资的7 0 ；在动力消耗方面， 以车辆为例，车辆冷却系统所消耗的功率要占发动机输出功率的3 , - - 1 5 ； 在炼油企业中，换热器的投资要占全部投资的4 0 0 0 - 5 0 ；现代石油化工企业 中约占3 0 0 o , - - 4 0 。近三十年来，由于对节约能源和环境保护的重视，高效换 热器的需求量随之增大，换热器技术亦获得迅速发展，因而各国都在致力于 研究各种高性能换热器及换热元件川。 由传热方程q = f k 乙可以看出增大传热面积f 、传热系数k 和传热 温差l 都能提高传热量q 。在换热器的设计时尤其重视从提高传热系数和 增大单位体积传热面积来提高传热效率【：】。换热器从问世以来，先后经历了 几个过程：先是板式换热器，板式换热器中流体呈薄片状流动，换热效率较 高，但板式换热器有一个致命的弱点密封周边很长，大型板式换热器可 达百米以上，对焊接的要求很高，并且不适合于压力和温度较高的场合，板 式换热器还有一个缺点就是造价太高，增加了设备的造价【3 】。而后出现了管 壳式换热器，早期的管壳式换热器以光滑圆管为换热管，可以承受很高的压 力与温度，但这种换热管有一个缺点就是换热面积较小。针对这一点科研人 员进行了大量的研究，对光滑圆管进行改进，目前国内外已研究出各种换热 管为异型管的管壳式换热器。在单管对比上，比光滑圆管有效地增加了换热 面积，并增强了管内外流动的湍流程度，强化了换热管的性能。 以扁管为换热管的管壳式换热器就是一种异型管管壳式换热器，它是在 哈尔滨 j 科人学硕+ 学伊论文 以圆管为换热管的管壳式换热器和板式换热器的基础上设计出来的。这种换 热器结构与普通管壳式换热器基本相同，制成固定管板式、浮头式或填料函 式均可，区别在于将圆截面换热管改变为扁平截面换热管钔。 以扁管为换热管的管壳式换热器与圆管壳式换热器、板式换热器对比存 在以下优崩s l ： ( 1 ) 具有普通管壳式换热器的简单结构。管壳式扁管换热器具有普通管 壳式换热器结构简单、可靠性高等优点，又保留了管壳式换热器圆管管束每 根管子独立存在的结构特点，消除了板式换热器板束中的大量纵向焊缝，且 局部扁管损坏后可以更换，维修方便，延长设备使用寿命。 ( 2 ) 具有接近板式换热器的高传热性能。扁管中的流动介质类似于板式 换热器的薄片状流动，在流量相同条件下，其流速高，易于达到湍流，利于 热交换，因此，具有较高的传热系数。 ( 3 ) 布管密度大，金属耗量小。扁管管束布管密度大，在壳径相同时， 其布管多，传热面积大，又加其传热效率高，故在传热量相同时，其金属耗 量少，有利于降低造价。 因此，利用扁管制成的管壳式换热器，将是一种兼有板式换热器高效性 和传统管壳换热器制造简单，维修方便等优点的换热设备，有很好的推广应 用前景。 1 2 换热器发展概况 二十世纪2 0 年代出现了板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成 的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式【6 】。 3 0 年代初，瑞典研制出螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由 铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热f 7 】。3 0 年代末， 瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强 腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意【8 】。 6 0 年代前后，空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效节能 2 哈尔滨i ：稗人学硕十学何论文 紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺 得到进一步完善，从而推动了紧凑型板式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此 外，自6 0 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型 的管壳式换热器也得到了进一步的改进和发展。7 0 年代中期，为了强化传热， 在研究和发展热管的基础上又研制出热管式换热器【9 】。 7 0 年代的世界能源危机，有力地促进了强化传热技术的发展。为节能降 耗，提高工业生产经济效益，开始要求开发适用于不同工业要求的高效换热 设备。这是因为随着能源的短缺，人们越来越注意能量的充分利用，可利用 热源的温度越来越低，换热介质之间的温差也越来越小。因此，对换热技术 的发展和换热器性能的要求也就更御o 】。 就目前的情况分析，换热设备的基本发展趋势是 h i ：提高传热效率，增 加紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、高压、超低温及耐腐蚀能力，保 证互换性及扩大容量的灵活性，通过减少污塞和便于除垢以减少操作事故， 从选用材料、结构设计以及运行操作等各方面增长使用寿命，并在广泛的范 围内向小型化发展。 由于近年来节能工作同益为人们所重视，而换热器特别是高效换热器又 是节能措施中较关键的设备，因此，无论是从各工业的发展，还是从能源的 有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和经济运行都具有重要意义。 1 3 强化管壳换热器传热传热性能的途径 所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热 面积传递的热量尽可能多。层流和湍流强化的主要机理就是利用增g l - 次传 热表面和破坏原来未强化的流体的速度分布和温度分布场m 】。其意义在于： 在设备投资及输送功率一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容 量，提高劳动生产率；在保证设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减 少占用空间，节省材料，降低成本；在某些特定技术工程使某些工艺特殊要 求得以实施等。 哈尔滨i ：稗人学硕十学何论文 由传热量计算的基本关系式q = k fa t ，可见强化传热可以通过增加传热 面积f 、增大传热温差t ，提高传热系数k 这三个途径来实现0 3 1 。 1 增大传热面积f 增大传热面积不是单纯的靠增大换热器的尺寸来实现，而是改进传热表 面结构或材料性能入手，提高单位体积的换热面积，使设备高效、紧凑、轻 巧。工艺设计和生产时间中主要采取以下几种措施【1 4 】： ( 1 ) 采用最合适的内外导流筒结构，最大限度地消除管壳式换热器挡板 处的传热不活跃区。 ( 2 ) 热传递表面采用扩展表面，尽可能增加它的有效传热面积，如在对 流传热系数较少一侧的传热面上装翅片、筋片、销钉等。 ( 1 ) 改良热传递表面性能，用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传 热面制造成各种凹凸型、波纹型、扁平状等，使流道截面的形状和大小均发 生变化，从而增加管内、外表面传热面积。 ( 3 ) 采用多孔表面，将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于 传热表面问，以实现扩大传热面积的目的。这种多孔表面不仅增大了传热面 积，而且还改善了换热状况，这对于沸腾传热过程的强化特别有效。 ( 4 ) 采用小直径管，因为管径小，可以在相同的体积内布置更多的换热 管，可增加单位体积的传热面积，使换热器的结构更为紧凑。另一方面，减 少管径后，使管内湍流换热的层流内层减薄，有利于传热的强化。 值得指出的是，上面的方法在提高单位体积内的传热面积并使传热过程 得到强化的同时，也由于流道的变化，使流动阻力有所增加，在换热器设计 中，需要综合考虑。 2 增大传热温差t 平均温差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流 动型式。一般而言，冷热流体的进出口温度为生产工艺所规定，不能随意变 动。当换热器中两侧流体均变温时，使冷热流体逆流流动，或采用换热网络 技术，合理布置多股流体流动与换热，从而得到较大的平均温度差1 1 5 1 。 4 哈尔滨警人学硕十学何论文 3 提高传热系数k 提高传热系数就是减少传热过程中的各项热阻。由于各项热阻所占的比 例不同，一般都是设法减少对k 值影响较大的热阻。在换热器中，主要的热 阻有对流传热热阻、管壁导热热阻和污垢热阻。一般换热管的金属壁面比较 薄而且导热系数高，不会成为主要热阻；污垢热阻是一个可变因素，刚开始 投入使用的时候污垢热阻很小，不会成为主要热阻，但是随着使用时间的延 长，可会成为影响传热的主要热阻，所以在换热器使用的过程中需要及时清 理污垢，也可以通过增加流速等方法来减弱污垢层的形成和发展；对流传热 热阻经常是传热过程的主要矛盾，减小对流传热热阻来提高传热系数也是当 前重点研究的内容【1 6 】。减小热阻的主要途径旮1 7 】： ( 1 ) 提高流体的流速。加大流速，使流体的湍流程度加剧，可减少传热 边界层中层流内层的厚度，提高对流传热系数，也可以减小对流传热的热阻。 在管壳式换热器中，增加管程数和壳程折流板的数目，可以分别提高管程和 壳程的流速。 ( 2 ) 增强流体的扰动。例如采用管内插入物或流体置换型的强化元件。 管内插入物可以破坏流体边界层的发展，增强流体湍流程度，并且使流体产 生旋流和二次流；若插入物与管壁接触良好，可增大有效的表面换热面积。 旋转流场设备包括一些几何布置或者管内插入物，这些设备可强迫管内流体 产生旋转流道或二次流，还可以增加翘片效率。值得一提的有纽带插入物、 轧槽表面和管中扰流器。 ( 3 ) 在流体中加固体颗粒。在流体中加固体颗粒，一方面由于固体颗粒 的扰动和搅拌作用，使对流换热系数加大，对流换热热阻减小；另一方面由 于固体颗粒不断冲刷管壁，减少了污垢的形成，使污垢热阻减小。 ( 4 ) 采用短管换热器。采用短管换热器能强化对流传热，其原理在于流 动入口段对传热的影响【博】。在管内进行对流传热时，在流体开始进入管内一 段距离内，对流传热系数口变化很大。紧靠进口处口最大，然后迅速下降， 趋近于某一极限值。口变化的这段距离称为进口段或不稳定段，进口段内口变 哈尔滨。啊翠人学硕十学位论文 化的原因在于流体的速度和温度分布都还没有达到稳定。 1 4 国内外换热器强化换热技术应用现状 高效能管壳式换热器的研究主要集中在强化管程和壳程两方面，现就有 关强化技术的应用情况分述如下。 1 4 1 管程强化换热技术应用 ( 1 ) 螺旋槽纹管换热器 螺旋槽纹管即螺纹管，用于强化管内气体或液体的传热，强化管内液体 的沸腾或管外蒸气的冷凝。其强化机理为，流体在管内流动时受螺旋槽纹的 引导使靠近壁面的部分流体顺槽旋流，有利于减薄边界层厚度；还有一部分 流体顺壁面轴向流动，通过螺旋槽纹凸起处便产生轴向旋涡，引起边界层分 层及边界层中流体质量的扰动。从而加快由壁面至流体主体的热量传递。螺 纹槽管是将光滑管在车床上轧制而成。主要结构参数有槽深e ，节距p 和螺 旋角反，可分为单头和多头 1 9 1 。重庆大学经实验研究及理论推导，得出了单 头螺纹槽管的半经验公式。华南理工大学对螺旋槽管内流体的流态、强化传 热机理及管参数的优化选择方法进行了深入研究。19 7 9 年将螺旋槽管用于上 海溶剂厂的甲醛余热锅炉中，使总传热系数提高了6 0 【2 0 】；用于压缩机排气 冷却，使传热强化了3 倍；用于常减压原油渣油换热器，传热系数提高了 1 2 1 5 倍。美国a r g o n n e 国家实验室和g a 技术公司设计、制造的螺旋槽管 换热器，其传热性能比光管提高2 4 倍 2 h 。 ( 2 ) 横纹管换热器 当流体经过横纹管的圆环时在管壁上形成轴向旋涡，增加了流体边界层 的扰动，有利于热量通过边界层的传递。当旋涡将要消失时流体又经过第2 个圆环，从而能保持轴向旋涡不断地生成瞄】。华南理工大学对横纹管进行了 实验研究，发现其性能比螺旋槽管好，在同样传热效果下，阻力增加的比螺 旋槽管少。其用于湖南沅江市氮肥厂的半水煤气变换气换热器，减小换热面 积6 8 ，节约钢材7 4 ，减少设备投资5 3 t 2 3 j 。 6 哈尔滨￥人学硕十学位论文 ( 3 ) 缩放管换热器 缩放管是由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道。在扩张段中流 体速度降低，静压增加；在收缩段中流体速度增加，静压减小。在扩张段中 由于流体质点速度变化产生剧列的旋涡并在收缩段中得到有效利用，而且冲 刷流体边界层使其减薄。在相同流体阻力下，有比光管更好的传热性能。缩 放管可强化管内外单相流体的传热。在同等流阻损失下，r e = l 1 0 4 1 1 0 5 范围内，传热量比光管增加【z l 。该管可用于多种类型换热器，如空气预热器、 油冷却器、冷凝器、废热锅炉等。 ( 4 ) 波纹管换热器 1 9 9 3 年沈阳市广厦热力设备开发公司开发了超薄壁不锈钢换热器，由于 波纹管壁很薄，波峰波谷高度差达1 0 m m ，换热管可自由伸缩，流体在复杂 截面流动下不断改变方向和流速，促使紊流增加或湍流产生，以使边界层减 薄和增强相变换热效果等，从而增大传热系数k ，k 可达2 0 0 0 3 5 0 0 形( 所2 ) ( 水水换热) ，3 0 0 0 6 0 0 0 形仰2 ) ( 气气换热) ，对 于其他介质，k 值较光管提高2 3 倍【2 5 】。 ( 5 ) 管内插入物形换热器 用插入物强化管内单相流体传热，尤其是对强化气体、低雷诺数流体或 高粘度流体的传热更为有效。各种插入强化机理不同，但都主要以改变流道 达到强化传热目的。 目前管内插入物很多，如螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合 器等。中国石化北京设计院与华南理工大学联合研制的交叉锯齿型内插件， 是对1 2 种内插件进行比较后优选的型式，可直接形成流体的混合，尤其适用 于高粘度流体的换热 2 6 1 。清华大学在管外套绕花丝，发现流体在r ，= 2 0 0 时， 即出现了弥散效应，r 。= l o o o 至u l o o o o 时，传热系数提高3 5 倍，该产品已于 1 9 9 3 年申请专利。 ( 6 ) 旋流管换热器 旋流管式热交换器是由北京理工大学研制成功的一种高新专利技术1 2 7 。 7 哈尔滨t 科人学硕十学位论文 它由高效旋流传热管、环形蛙式倒蛙式盘形折流板、管板和壳体等组成。 其强化机理为靠近壁面的流体在螺旋糟纹的引导下，产生附加的旋转流动， 使热阻减小，传热得到增强；与此同时，由于流体受螺旋状凸肋的作用，产 生边界层分离现象，加强了流体混合，从而加快由壁面至流体主体的热量传 递。实验和实际应用已经证明，与相同直径光管相比，其突出优点是：可节 约传热面积2 0 - 3 0 ，节约会属材料( 管材) 2 0 以上。管内传热系数可提高 3 5 倍，压降增大1 1 4 倍。 1 4 2 壳程强化换热技术应用 传统的管壳式换热器，流体在壳侧流动存在着折流和出口两端涡流的影 响区，影响了壳程的传热系数。为改善壳程的流动状态，从以下方面进行研 究。 ( 1 ) 折流杆换热器 2 0 世纪7 0 年代初，美国飞利浦公司为了解决天然气流动振动问题，将 管壳式换热器中的折流板改成了杆式支承结构，开发出了折流杆换热器跚。 如图1 1 所示，它是一种以折流栅代替折流板改善传热性能的管壳式换热器， 与传统的折流板换热器相比，不仅彻底消除了管子的震动问题，而且壳程压 降降低，传热效率提高，管束刚性增强，重量减轻，结垢减弱，清理更加方 便。折流杆换热器强化传热机理为：当壳程流体流速达到一定值时，流体经 过折流杆处的旋涡脱落和折流圈处的文丘里效应，以及在后面产生旋涡尾流。 流体流过折流杆后，在其两侧交替产生脱离旋涡( 卡漫涡街) 。且流体流过折 流栅时流通截面缩小，之后又扩大，从而产生文丘里效应1 3 1 1 。由于卡漫涡街 和文丘里效应的作用，使流体对管壁形成较强烈的冲刷，从而减薄了传热边 界层，也就强化了壳程传热。当旋涡强度减弱，流体通过后面的折流元件又 产生新的旋涡和节流。另外，折流杆与换热管间为点接触或线接触，因此接 触面积很小，换热面积利用充分，消除了传热死区。而且，由于既不存在流 体流过管束的横流阻力，又没有反复的转变效应，折流杆换热器壳程压降很 哈尔滨f ：稗人学硕十学位论文 小。其不足之处是只有在大流量或高流速的场合才能显示出其优良的性能。 由于折流杆式换热器优良的水力和热力性能，受到了各国学者的广泛关注， 世界各国对该类型的换热器进行了深入的研究，进而出现了扁钢条的支承方 式，准椭圆截面的折流杆支承【3 2 】。 图1 1 折流杆支承结构示意图 ( 2 ) 螺旋折流板换热器 螺旋折流板换热器结构模型如图1 2 所示。 图1 2 螺旋折流板换热器结构模型 l u t c h aj 和n e m c a n s k y 于1 9 8 3 年提出壳程流体作螺旋运动可以强化换热 器壳程传热，其壳程支撑结构是用一系列平面板替代曲面，管问连接，从而 在壳程形成近似的螺旋面，如图1 3 所示。国内对螺旋折流板换热器的研究 始于2 0 世纪8 0 年代，由于制造困难，直到9 0 年代才开始对其进行深入地研 究和开发。张克铮等人对螺旋折流板换热器进行了深入地理论和实验研究， 研究表明：螺旋折流板使流体在壳程呈连续柱状螺旋运动，不会出现传统折 流板换热器内的流动“死区”，并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界 层相互作用，使湍流度大幅度增加，大大提高了壳程的传热系数，降低了壳 9 ；易秀霪鬈霪缓缀篇 _ 。兹。 蚴 ； 哈尔滨i + 仃i1 人学硕十学何论文 侧的压降，同时缓解了换热器的振动问题。对于低粘度流体，单位压降的对 流传热系数螺旋折流板总是高于普通折流板，而且流量越大，效果越好：在 相同流量下，单位压降的对流传热系数，螺旋折流板约为普通折流板的2 4 倍。总之，这种换热器由于其灵活的结构设计( 可以根据不同的操作条件设 计选取最佳的螺旋角，还可以根据不同的要求设计重叠式折流板或双螺旋折 流板结构) 和优良的传热性能，具有广阔的开发应用前景。目的螺旋折流板 换热器在我国有很大的发展，在制造和使用方面也积累了不少经验，但是关 于螺旋折流板换热器压降方面的参考资料还比较少【3 3 】。 图i 3 螺旋折流板结构示意图 ( 3 ) 空心环管壳式换热器 空心环管壳式换热器采用的是空心环支承结构，如图1 4 所示。空心环 支撑就是将小直径金属短管，即空心环，以一定间隔布置在换热管束同一截 面上以替代折流栅，从而支撑管束并促进流体扰动。空心环支承是由华南理 工大学化学工程研究所邓先和等人首先研究的，他们对分别采用折流杆和空 心环支撑的横纹槽管管束的管壳式气气换热器壳程传热特性进行了对比实 验研究，结果表明后者的传热性能优于前者，且阻力更小。这主要是由于 折流杆将管侧流体的大部分输送功消耗在管间流体中心区域而对传热管近壁 流体的扰动相对较弱所致。支撑环结构通常和强化管组合使用，壳侧压降小， 可使壳侧流体的大部分输送功作用在强化管的粗糙表面上来促进近壁流体的 湍流，取得较好的强化换热效果，卯。其缺点主要表现在绕流作用不如折流杆 支承，而且管束固定工艺相对复杂。 l o 哈尔滨t 稃大学硕1 卜学何论文 图1 4 空心环支承结构示意图 1 5 本文主要研究内容 l 、根据扁换热管单管实验选择一种综合性能最好的换热管，设计并制造 一台新型扁管壳式换热器，为了对比分析，同时设计并制造一台传统的圆管 壳式换热器。 2 、对两台换热器进行相同工况下的传热与阻力实验，重点分析新型扁管 壳式换热器的强化换热性能和壳程的流动阻力等。 3 、将扁管壳式换热器与圆管壳式换热器进行实验对比，评价新型换热器 的强化换热与阻力性能。 4 、根据实验数据对实验结果进行回归，得出扁管管束阻力单元关联式， 为换热器的改良设计提供计算基础。 1 6 本章小结 本章介绍了换热器的发展历史，总结了国内外的研究现状，对换热器传 热过程的强化及影响对流传热的因素和新的强化换热技术的研究现状做了介 绍。分析了本文选题的背景和研究意义，阐述了本文的主要研究内容。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第2 章换热器设计与制造 本文设计了一台新型扁管壳式换热器，用来研究采用了扁管管束后换热 与压降方面的变化，同时设计一台同型号的圆管壳式换热器与之对比。在设 计中分析以下几方面造成的两种换热器在传热与流动方面的差距：换热管外 形尺寸不同、相同有效布管面积下两种换热管的布管方面差异、不同布管方 式会给换热效果和流动带来的变化。 2 1 换热器模拟体设计 2 1 1 圆管壳式换热器结构设计特点 用于实验对比的圆管壳式换热器是一种传统的管壳式换热器，结构简图 如图2 1 所示。采用固定管板，折流元件采用现代工业最常用的弓形折流板， 由壳体、换热管束、管板、封头与冷热水端口等部分组成。采用圆形截面， 单流程设计。 图2 1 圆管壳式换热器 1 冷水出口；2 热水入口；3 换热管；4 折流板：5 拉杆；6 套管； 7 壳体；8 测压接管；9 热水出口；1 0 冷水入口 1 2 哈尔滨t 稗人学硕十学何论文 t 2 1 2 扁管壳式换热器结构设计特点 图2 2 扁管壳式换热器 1 冷水出口；2 热水入口；3 换热管；4 折流板；5 拉杆；6 套管： 7 壳体；8 测压接管；9 热水出口；1 0 冷水入口 图2 2 所示换热器为新型扁管壳式换热器。与传统圆管壳式换热器相比， 扁管壳式换热器在换热管选择，布管方式等方面都有所不同。 l 、换热管选取 图2 3 换热管截面 如图2 3 所示，本设计采用两种不同的换热管，一种为传统光滑圆形换 热管，一种为新型的光滑扁换热管，采用的光滑扁管是以本设计中采用的同 型号的光滑圆管为管坯压制而成。 从单管分析看，扁管流通截面积小于圆管流通截面积，所以相同管程流 量下，扁管管程流体流速高，能提高换热量。在流型分布上，扁管管内为薄 片状流动，内部温度梯度大，流体更容易与外界换热。 从管束的构成来看，圆管压成实验所需型号的扁管时，其截面积降低了 2 3 2 。即在相同的有效布管面积内，可以布置更多的扁管，并且由于扁管 哈尔滨i ：稗人学硕十学佗论文 特殊的几何形状，在管壳内布管可以更紧凑，有效地增加了换热器单位体积 换热面积。 2 、管束布置 换热管管束中换热管的布置需要考虑以下三个因素：换热管管径的选取、 管心距的选取、换热管布局方式的选取。 ( 1 ) 换热管管径的选取 本设计为承接单管实验结果选取换热管设计管束，实验用单管共采用三 种几何尺寸的扁管，如图2 4 所示，管内高度h f 与基管内径d f 之比h i d ，分别 为0 2 8 6 、0 4 5 和o 5 5 7 。综合传热与阻力两方面分析，选择h ；d f o 4 5 的扁 管来设计扁管壳式换热器管束。 弯 ( 2 ) 换热管管心距的选取 图2 4 截面图 图2 5 布管方式与管心距 管心距的选择要兼顾提高壳侧传热与管束紧凑性两方面，较大的管心距 能降低壳程压降，并且能减少结垢，便于管束清洗。换热器设计手册规定， 换热器管心距至少为管外径的1 2 5 倍，主要考虑的是管板上的管间小桥的强 1 4 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 度和换热管外壁之间换热的相互影响的问题。如果管问小桥过小会使换热器 的管板强度过低，不能承受较大应力。 为提高管束的紧凑性，希望管心距越小越好。另外因为本文设计的换热 器为小型换热器，有限的布管面积内如果管心距过大会使布管数量过少，所 以圆管管束采用1 2 5 倍的管心距，具体尺寸如图2 5 所示。 扁换热管横截面为轴对称结构而非圆换热管的中心对称，所以传统换热 器设计规则里的管心距不再适用。通过分析圆管管束可知，圆管壳式换热器 遵循的管心距原则换而言之就是管外壁之间的最小距离，布管时管外壁距离 不得小于某一个值，这个值等于管心距减去管孔直径。在设计扁管管束时， 也采用这个原则来代替管心距原则，即控制换热管外壁之间最小距离不小于 管外壁之间距离规定的最小值。 ( 3 ) 换热管布管方式选取 布管方式的选择决定了管束的紧凑性，紧凑性是小型换热器设计中的重 要方面。随着紧凑性的提高，壳侧流体流通面积减小，壳侧流体流速越高， 换热效果越好，但同时壳侧的压降也会提高