摘要:介紹了管殼式
冷卻器殼程強(qiáng)化傳熱方面所展開的研究工作及取得的成果,指出了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究方向。 關(guān)鍵詞:管殼式冷卻器;殼程;強(qiáng)化傳熱 引言 管殼式冷卻器在化工、石油、動(dòng)力、冶金、制冷、原子能、造船、食品等工業(yè)部門中有著廣泛的應(yīng)用。近40年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)管內(nèi)強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了大量的研究,取得了豐碩的成果,目前已有的強(qiáng)化傳熱管技術(shù)不下百余種。相比之下,殼程強(qiáng)化傳熱方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有管程研究的廣泛和深入。直到20世紀(jì)70年代,殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)才開始受到重視,并取得了較大進(jìn)展�！ こ虖�(qiáng)化傳熱的途徑主要有2種:一種是改變管子外形或在管外加翅片,即通過管子形狀和表面特性的改變來強(qiáng)化傳熱,如螺紋管、螺旋槽管、外翅片管等強(qiáng)化傳熱管技術(shù);再一種是改變殼程擋板或管間支撐物,以減少或消除殼程流動(dòng)與傳熱的滯留死區(qū),使傳熱面積得到充分的利用。第一種途徑與管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)機(jī)理一致,已有很多文獻(xiàn)報(bào)道。管殼式冷卻器殼程擋板或管束支撐物的發(fā)展表現(xiàn)為折流板的改變,其目的是將泵功最大程度用于增強(qiáng)傳熱方面,而不是消耗于管間支撐物�，F(xiàn)有的支撐形式有板式支承、桿式支承、空心環(huán)支承和管子自支承�！ �1板式支撐結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的管殼式冷卻器采用單弓形折流板支承,殼程流體易產(chǎn)生流動(dòng)死角,傳熱面積無法被充分利用,因而殼程傳熱系數(shù)低、易結(jié)垢、流體阻力大。并且當(dāng)流體橫向流過管束時(shí),還可能使管子產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng),破壞管子及其與管板連接的可靠性。因此,為了消除它的弊端,近20年來出現(xiàn)了許多新型的殼程折流板支承結(jié)構(gòu),如多弓形折流板、整圓形板、異形孔板、網(wǎng)狀板、弓形折流板加平行分隔板、螺旋折流板等。這些新型折流板支承結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是盡可能地改善殼程流體流動(dòng)和傳熱死區(qū),降低殼程流體流動(dòng)阻力,而且管束的抗振性也能得到增強(qiáng)�！ �1. 1雙弓形及三弓形折流板 雙弓形折流板在冷卻器殼側(cè)將流體分成兩股平行束,橫向流動(dòng)的長(zhǎng)度(即橫流經(jīng)過的列管數(shù))大致為具有同樣缺口的單弓形折流板的一半,與具有相同折流板間距和缺口的單弓形折流板相比,雙弓形折流板的壓降為可比設(shè)備相應(yīng)值的30 %～50 % ,而傳熱系數(shù)是可比設(shè)備相應(yīng)值的60 %～80% [1 ]。類似于雙弓形折流板,三弓形及多弓形折流板則在冷卻器殼側(cè)將流體分成三股或多股流�！ �1. 2整圓形折流板 為了盡可能地改變弓形折流板支承的橫向流動(dòng)為平行于管子的縱向流動(dòng),消除滯留死區(qū),提高流體在殼程的流速,在電站和石油化工中,出現(xiàn)了整圓形折流板。最初出現(xiàn)的整圓形折流板在板上鉆大圓孔,既讓管子通過,又有足夠的間隙讓流體通過。管內(nèi)外流體總體呈縱向流動(dòng),傳熱溫差推動(dòng)力大,并且由于管壁與孔板之間的圓環(huán)間隙通道對(duì)流體可產(chǎn)生射流作用,使流體離開空口很快就形成湍流,使壁面不易結(jié)垢,殼程傳熱得到強(qiáng)化。但整圓形折流板增大了冷卻器殼體的直徑,并且由于缺乏管子支承結(jié)構(gòu),這種
冷卻器的管束抗振性能也很差。為改進(jìn)大管孔整圓形折流板的不足,在管孔之間開小孔,使傳熱介質(zhì)由小孔通過折流板,這樣就不用增大殼體的直徑了。帶小孔的整圓形折流板在管孔與管子之間的間隙內(nèi)很容易積垢,引起腐蝕。為了彌補(bǔ)這一缺陷,出現(xiàn)了矩形孔、梅花孔等異形孔的折流板結(jié)構(gòu),這種折流板既能支承管子,又能讓傳熱介質(zhì)流過折流板,當(dāng)介質(zhì)流過管孔時(shí),能產(chǎn)生射流,對(duì)管子有沖刷和自清潔作用,從而消除了管子結(jié)垢和垢下腐蝕。異形孔板雖然優(yōu)點(diǎn)很多,但加工制造相對(duì)困難,費(fèi)用偏高,因此工業(yè)上又出現(xiàn)了網(wǎng)狀整圓形折流板。其折流板為整圓,以每四個(gè)同一行的相鄰折流孔為一組,在小橋處銑通,殼程流體從銑口通過折流板,成全面積均勻縱向流動(dòng)[2 ]。 1. 3弓形折流板加平行分隔板 在單弓折流隔板管殼式冷卻器的兩折流隔板間平行插入了一塊或數(shù)塊平行流分隔板,可將原通道改為多股平行通道,將原單股流分為多股平行流。這樣,就能有效控制板間回流死區(qū)的渦尺度,使板間流場(chǎng)得以均化及管間流阻得以減少。在Re不太高的情況下加兩塊平行流分隔板后,能在一定程度上控渦均化殼側(cè)流場(chǎng),并且能起到較好的強(qiáng)化傳熱效果。帶平行流分隔板的弓形隔板冷卻器的強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)因子在測(cè)量的Re范圍內(nèi),其值約為1. 20～1. 15左右,強(qiáng)化因子隨Re數(shù)的增加而減小,這種強(qiáng)化傳熱技術(shù)適合在中低雷諾數(shù)下采用[3 ]�！ �1. 4螺旋折流板 螺旋折流板是將傳統(tǒng)的垂直弓形板換成螺旋狀或近似螺旋狀的折流板,折流板與冷卻器殼體橫斷面有一個(gè)傾斜角度,使得流體在殼程沿螺旋通道流動(dòng)。按流道多少螺旋折流可分為單頭或雙頭。圖1為流體在弓形折流板和螺旋折流板冷卻器殼側(cè)流動(dòng)情況對(duì)比的示意圖。圖1 弓形折流板冷卻器與螺旋折流板冷卻器殼側(cè)流體流動(dòng)對(duì)比示意圖 螺旋折流板冷卻器的螺旋折流板使流體在殼側(cè)呈連續(xù)柱塞狀螺旋流動(dòng)(即p lug流) ,不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)折流板冷卻器內(nèi)的流動(dòng)“死區(qū)”,并且由于旋流產(chǎn)生的渦與管束傳熱界面邊界層相互作用,使湍流度大幅度增強(qiáng),有利于提高殼側(cè)傳熱膜系數(shù)�！ �2桿式支撐結(jié)構(gòu) 為了解決傳統(tǒng)折流板冷卻器因流體橫向沖刷管束引起的振動(dòng)和破壞問題,出現(xiàn)了折流桿支承結(jié)構(gòu)。折流桿支承結(jié)構(gòu)由折流柵和支承桿組成。折流柵是由在一圓環(huán)(折流圈)上焊接一定數(shù)量的圓桿(折流桿)構(gòu)成,每四個(gè)不完全相同的折流柵構(gòu)成一折流柵組(圖2)。折流柵上的折流桿交錯(cuò)穿插于管子之間,折流桿的直徑約等于相鄰管子之間的間隙,管子被折流桿緊緊夾住。由于折流桿冷卻器殼程流體為縱向流動(dòng),基本不存在流動(dòng)死區(qū)。另外,流體流過折流桿(圓桿)后在其兩側(cè)交替產(chǎn)生和脫離旋渦(卡漫渦街) ,且流體流過折流柵時(shí)流通截面縮小,之后又?jǐn)U大,從而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)。由于卡漫渦街和文丘里效應(yīng)的作用,使流體對(duì)管壁形成較強(qiáng)烈的沖刷,從而減薄了傳熱邊界層,也就強(qiáng)化了殼程傳熱。圖2折流柵網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 3空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu) 空心環(huán)支承結(jié)構(gòu)是采用空心環(huán)網(wǎng)板取代折流板做管間支撐物�？招沫h(huán)由直徑較小的鋼管截成短截,均勻地分布于管間的同一截面上,與管子呈線性接觸,使管束相對(duì)緊密固定而成�？招沫h(huán)支承傳熱管束的示意圖如圖3所示。采用空心環(huán)管間支承可大幅減少氣體因在殼程作反復(fù)折流而損失的流體輸送功,依靠增加管間氣速提高管外傳熱膜系數(shù),達(dá)到流體輸送功的最佳利用。二是采用粗糙型傳熱管,如縮放管、低肋管、花瓣管等,強(qiáng)化流體縱向沖刷時(shí)的對(duì)流換熱。圖3空心環(huán)支承傳熱管束示意圖 4管子自支撐結(jié)構(gòu) 為簡(jiǎn)化管束支撐、提高冷卻器的緊湊度,近年來開發(fā)出一些自支撐管,如刺孔膜片管、螺旋扁管和變截面管等。這類管靠管自身的一部分如刺孔膜片、螺旋線或變徑部分的點(diǎn)接觸來支撐管子,同時(shí)又組成殼程的擾流元件,增大了流體自身的湍流度,破壞了管壁上的流體邊界層,從而使殼程傳熱進(jìn)一步增強(qiáng)�！ �5結(jié)語 管殼式冷卻器殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出2個(gè)特點(diǎn):一是殼程內(nèi)流體流動(dòng)由橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫杏诠茏拥目v向流動(dòng),使流動(dòng)壓降減小,傳熱面積得到充分利用;二是支撐形式向著低流阻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和省材方向發(fā)展。通過對(duì)殼程強(qiáng)化傳熱研究的探討,將低流阻、高傳熱效率的殼程強(qiáng)化傳熱支撐結(jié)構(gòu)與高效強(qiáng)化傳熱管相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù),使整個(gè)冷卻器的傳熱綜合性能得到提高,將是管殼式冷卻器發(fā)展的方向。
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GL 系列冷卻器
