几种换热管强化传热性能实验分析与比较

1、2003年第31卷第6期 流 体 机 械 7文章编号: 1005 0329(2003 06 0007 04几种换热管强化传热性能实验分析与比较2俞惠敏1 蔡业彬1、(1. 茂名学院, 广东茂名 525000 2. 华南理工大学, 广东广州, 510641摘 要: 选择光管、螺纹管、波纹管换热器进行传热性能实验。实验结果表明波纹管换热器的总传热系数最大, 其次是螺纹管, 最小是光管; 螺纹管的管内(热侧 压降最大, 其次是波纹管, 最小是光管; 管外(冷侧 三种管型压降相差不大。最后确定波纹管为此次换热器改造的管型。关键词: 波纹管; 螺纹管; 光管; 换热器; 传热性能中图分类号: TQ051

2、15 文献标识码: AExperiment Analysis and C omparison to the Intensify TransmitHeat Function of Several Kinds of Exchanger TubeYu Hui min Cai YebinAbstract: According to the i ntensify transmit heat theory, several kinds of the exchanger tube (light tube, whorl tube, ripple tube is chosed to do the experim

3、ent of the intensify transmi t heat function. The results indicated:the total transmit heat coefficient of ripple tube is the largest, then the whorl tube and the third the light tube; the pressure drop in the whorl tube (hot side is the largest, then the rip -ple tube and the third the ligh t tube;

4、 the pressure drop out of the tube (cold side has hardly any difference finally.The triple tubes for the tube type of the reform exchanger is determined.Keywords: triple tube; whorl tube; light tube; exchanger; transmit heat function符 号K 传热系数, W/(m 3. e A 给热系数, W /(m 2#eM 污垢及金属热绝缘系数, m 2#e /W $P 压力降

5、, kPa J 比压力降, kPa/NTU L 运动粘度, m 2/s Q 密度, kg/m 3K 导热系数, W/(m #e D e 壳体当量直径, m S 流道横截面面积, m 2G 体积流量, m /h V 流速, m/s下 标h 热流体c 冷流体31 强化传热方案选择的理论依据某石化公司重整生成物换热器传热效果一直不好, 从现场重整生成液出口温度实测值可看出, 换热器的换热性能不能适应生产波动, 导致整个铂重整装置不能满负荷运行, 制约了工厂生产能力和效率的提高, 因此需要对此进行改造, 改造的重点放在提高现有换热器的换热效率上。重整生成液换热器为一浮头式换热器, 仍属管壳式换热器的范

6、畴, 其强化传热主要为强化管程和强化壳程两方面。该换热器壳程走重整生成液, 管程走循环冷却水, 由计算和实测均得出热阻主要在生成液方面, 即在壳程。故要提高该换热器的换热效率, 有效的办法是强化壳程传热。目前, 国内外强化壳程传热的方法主要有两种, 一种是通过对管子形状或表面性质的改造来改变流体在管壁处的13收稿日期: 2002 08 198 FLUID MAC HI NERY Vol. 31, No. 6, 2003流动方式和传热机理, 从而达到强化传热的目的(这种方式主要有低肋管、表面多孔管和翅片管等 ; 另一种是采用低流阻壳程支承结构, 尽可能消除流体流动和传热的死区, 变壳程流体横流为

7、纵向流动, 使传热面积得到充分利用。由于纵向流的流动阻力小, 壳程的流速可大大提高, 因此在壳程流量大的情况下, 能显示出良好的传热性能(如网状整圆形折流板和折流杆支承装置等 。通过几种方案的初步比较(如将原来的弓形折流板支承结构更换为折流杆支承结构; 或将光管改为低肋管或翅片管等 , 同时考虑到现场使用条件和改造成本等, 认为在不更换原壳体的条件下采用改变管子形状的强化传热措施更方便和经济。通过查阅文献4知道, 当传热管两侧的A 值相差25倍时, 采用低肋管较合适。若A 相差10倍以上, 用翅片管较合理。通过传热计算和实测, 需改造的换热器冷却水侧的给热系数比生成液侧大23倍, 采用低肋管合

8、适。因此初选螺纹管和波纹管作为此次换热器改造的主要管型。外螺纹(或波距 (mm内波纹(或波宽 (m m2 管子的传热性能实验211 实验目的螺纹管是在光管的外表面环向滚压制成的整体低翅片管, 其实验及结果已有不少报道5, 6, 已有比较完善的传热与阻力系数的关联式。波纹管是在普通换热管(光管 的基础上经特殊工艺加工而成的一种管内外都有凹凸波形、既能强化管内又能强化管外的双面强化管, 由于问世时间较短其传热与阻力计算还不完善。本实验的目的是首先通过实验研究, 比较光管、螺纹管和波纹管三种不同管型的管内、外压降和传热性能, 得到在同一装置上螺纹管和波纹管这两种强化传热管的强化传热效果, 为确定最佳

9、管型提供依据; 其次通过实验, 验证波纹管换热器的传热与阻力计算。212 实验装置及流程实验装置为一套管换热器, 内管为实验所用的光管、螺纹管和波纹管, 具体结构尺寸见表1。热侧当量直径(mm 20. 020. 020. 0冷侧当量直径(mm 12. 512. 512. 5热侧流道截面积(m 2 0. 0003140. 0003140. 000314冷侧流道截面积(m 2 0. 0006140. 0006140. 000614表1 实验管的结构尺寸管型光管螺纹管波纹管规格( mm Á252. 52000Á252. 52000Á252. 52000材料101010传

10、热面积(m 2 0. 1343030. 1343030. 141573. 50. 7180. 4512测试装置、测试流程、测试仪表和测试方法等均符合JB/TQ41 875管壳式换热器产品性能测试方法6标准的要求。测试装置及流程见图1。测点3, 阀4(逆流 , 或测点4, 阀5(顺流 , 排入冷却水池。冷、热水温度用温度计测得, 冷、热水流量可用流量计测出, 分别在流量计2、1处读取。热水箱的水温可设法加以控制, 使其维持在某一温度上。本次实验传热面两侧介质为水-水, 逆流运行, 热流体走管内, 冷流体走管外(套管 。测试方法:为了确定换热器的传热及流体阻力特性, 进行了水-水等流速测试, 其流

11、速范围为0. 63. 0m/s 。测试中, 当冷热流体热平衡相对误差5%时, 进行数据采集与处理。213 实验结果分析与讨论21311 实验结果与分析原始测试数据未列出。(1 传热性能:传热系数与流速的K -V 测试曲线见图2。(2 流体阻力性能:各种管型压力降与流速的P -V 、4。图1 各种管型传热实验装置及流程电热水箱中的水被加热到某一温度后, 由水泵1送入换热器的测试管中, 与套管内的冷却水换热后, 返回热水箱。冷却水从冷却水池进入冷水箱, 被水泵2抽出后, 通过阀3, 温度测点4(逆流 , 或通过阀2, 温度测点3, 顺流进入套管, 再由 2003年第31卷第6期 流 体 机 械 9

12、验中, 我们对所获得的波纹管有关数据进行回归分析, 采用通用的指数形式, 分别得到了波纹管传热与阻力性能的回归关联式。波纹管传热准则方程为:Nu h =0. 0332Re h 0. 7660Pr h 0. 3Nu c =0. 1686Re h 0. 6970Pr c 0. 4波纹管阻力性能准则方程为:Eu h =26. 34Re h -Eu c =31. 93Re c -图2 传热系数与 流速的测试曲线0. 13810. 0707(5 测试误差:处理测试数据时, 采用了均方根误差R 来衡量测试与计算之间的误差。其值为:R k =1. 96%R $Ph =3. 24%R $Pc =1. 62%(

13、6 相关量的计算公式:V =G /(S 3600 Re =D e V/L ; A =Nu K /D e1/K =1/A h +1/A c +M $P h =Eu h V 2Q (Pa $P c =Eu c V 2Q (Pa 实验结果表明波纹管的总传热系数最大, 其次是螺纹管, 最小是光管; 螺纹管的管内(热侧 压降最大, 其次是波纹管, 最小是光管; 管外(冷侧 三种管型压降相差不大。2. 3. 2 管型的确定通过上述实验结果分析与比较, 在相同的条件下波纹管的传热系数增长较大, 比光管提高55%, 比螺纹管提高17. 2%, 且管内外均能强化传热。虽然其管内压降比光管稍大, 但由于现场循环水

14、泵仍有潜力, 故采用波纹管, 重整生成物冷却图3 压力降与流速的测试曲线图4 压力降与流速的测试曲线器在原壳径不变情况下将具有最好的换热效果。3 光管及波纹管换热器理论分析与计算本文还利用程序(EXC H 对光管及波纹管换热器进行了确定方案的热平衡核算。分别对两台并联的5900、4管程波纹管换热器; 一台51400、6管程波纹管换热器和一台51400、4管程波纹管换热器几种方案核算, 同时采用中国石化洛阳石油化工工程公司开发的波纹管换热器计算程序软件:(3 传热面两侧为水-水逆流运行, 定性温度40e , 流速2. 0m/s , 测试计算结果见表2。管型光管螺纹管波纹管表2 测试计算结果$P

15、h (kPa K W/(m 2#e 279537104347. 513. 235. 821. 8$P c (kPa 60. 661. 562. 1(4 回归波纹管传热与阻力性能关联式:通过实验得到了大量的数据, 由于流动的复杂性, 工程10 FLUID MAC HI NERY Vol. 31, No. 6, 2003(1 在较低热负荷(设计能力的65%处理量 情况下, 光管换热器在保证足够循环冷却水流量时可满足换热要求。(2 在高热负荷(设计能力的100%处理量 情况下, 光管换热器在保证循环冷却水高流量150000kg/h 时, 勉强可保证换热要求, 但是一般情况下难以保证如此高的冷却水流量

16、。(3 波纹管换热器在一般冷却水流量的情况下可满足高热负荷工作需要, 但壳程压力降过大, 为提高管程冷却水流速降低壳程压力, 在保证足够换热面积情况下可将管束总数目减少10%, 换热效果更好。(4 波纹管换热器最好工作参数是高热负荷下; 冷却水流量100000kg/h ; 冷却水进、出口温度为3342e 。(5 根据计算结果, 若波纹管换热器的管子数仍用原光管换热器的1192根, 则换热器的管程水流速偏低, 壳程压降过高。为提高管程水流速和降低壳程压降, 将波纹管换热器的管子数由1192根减少到1076根, 减少了10%。将循环水进出口温度控制在3342e , 则壳程的压降可由152. 8kP

17、a 降低到137. 3kPa , 水流速度则由0. 299m/s 提高到0. 331m/s 。换热效果可望明显改善, 从而满足装置生产工艺的要求。显然, 这样既利用了原有设备, 又节省了改造成本。4 结论(1 通过实验, 得到了波纹管(单管 的传热与阻力性能关联式;(2 波纹管比螺纹管强化壳程传热更有效, 这主要在于波纹管凹凸部分较长, 内外表面积比后者大, 因此强化传热效果明显。作者简介:俞惠敏, 女, 1963年出生, 硕士, 副教授, 现从事机械设计制造及其自动化等专业的教学与科研工作。通讯地址:525000广东茂名市官渡二路139号茂名学院科研处。(3 由理论计算可知, 标准波纹管换热

18、器比原光管换热器总传热系数约提高55%, 但壳程压降增加45%。在原工艺流程不变的情况下, 使重整装置能够满负荷运行。(4 光管和波纹管换热器计算与实验结果相符, 为确定新换热器的结构提供了依据。(5 总管束数目减少10%, 波纹管换热器比原光管换热器总传热系数提高约60%, 壳程压降仅增加30%。换热器传热效果更佳, 提高了生产效率, 获得了较显著的经济效益。(6 重整生成物换热器是在原有换热器的壳体不变的情况下, 将传热光管改为波纹管, 改造简便易行, 经济实用, 这种改造方法非常适合其它在役换热器的改造。参考文献1 阎皓峰, 甘永平. 新型换热器及传热强化M .北京:宇航出版社, 1991: