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弓形折流板间距与圆缺率的优化
来源:互联网 sk001 | 马福华 ,胡明辅 ,王伟民 ,曹学杰
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 折流板间距;圆缺率;壳程压降;壳程给热系数
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

摘要:在弓形折流板的设计中,通常只单独考虑折流板间距或圆缺率影响,而没有考虑其关联性。本文基于简化Bell-Delware法对折流板间距与圆缺率对换热器壳程压降、给热系数的影响进行了分析,可知壳程压降受折流板间距与圆缺率的影响远大于壳程给热系数。然后假设缺口处的错流面积与管束间的错流面积相等,推导出了折流板间距与圆缺率的优化方程,从而算出不同壳径、管径、管程数的对应解,可得圆缺率在之间时,折流板间距与壳体内径比率取较适宜。

  关键词:折流板间距;圆缺率;壳程压降;壳程给热系数

  1 引言

设计制造出一种高效能、低能耗、低成本的换热设备对于节约能源有着重要的意义。管壳式换热器广泛应用于化工、石油、电力、能源等工业领域,如进料换热器、蒸发器、冷凝器、再沸器、回热器。在管壳式换热器中壳侧设置折流板可以改变壳程流体流动方向,使其垂直于管束流动,并提高流速,从而增加流体流动的湍流程度,获得较好的传热效果。折流板常用型式有:弓形、盘环形两种,弓形有单弓形、双弓形、三弓形,其中单弓形使用范围最广。

在弓形折流板设计中,合理设计折流板间距与圆缺率是保证壳程压降及给热系数满足设计要求的关键。HUADONG LI用实验研究了不同折流板间距对壳程压降和给热系数的影响,绘制出了每排换热管努赛尔数分布图及两折流板间的压降变化;Mukherjee提出折流板最佳间距是壳体内径的0.3~0.6倍;Saffar-Avval等以总费用最低为目标优化了全部类型管壳式换热器的折流板间距,并给出了一系列算式;B.Khalifeh Soltan等详细设计了冷凝器折流板间距,且在Saffar-Avval基础上给出新的算式;Dogan Eryener利用热经济学优化折流板间距。国内,黄文江、张剑飞等以图表形式说明了折流板间距与圆缺率对壳侧给热系数、壳侧压降、换热器的几何尺寸及换热管数目的影响;喻九阳、朱兵等就折流板开孔孔径大小对换热器壳程传热性能与流阻性能的影响进行了研究。

  以上只是单独考虑折流板间距或圆缺率影响,而没有考虑其关联性,本文结合换热器设计提出了优化折流板间距与圆缺率的方程,并对不同管径、壳径、管程数算出了详细解。 折流板间距与圆缺率对换热器性能的影响 对壳程压降的影响 折流板的阻挡和扰流作用使得流体冲击折流板时改变流向,同时由于流通截面的突变而在弓形折流板缺口处形成流体速度突变和压力突变,且在折流板背面形成回流区,造成压力损失;在保障一定传热效果条件下,选择恰当的折流板间距与圆缺率,将会大大降低壳程压力降。

换热器壳侧设置折流板,增加了壳程流体流动复杂性,随之出现了多种计算压降方法,其精确计算常采用Bell-Delware法,但这一方法非常复杂,计算过程繁琐,为此本文采用其简化算法。

(1)

其中,—壳程压降,;—管束压降,;—壳程导流筒或导流板压降,;—壳程进出口管嘴压降,;—壳程压力降校正系数。

  导流筒或导流板压降、进出口管嘴压降与流经壳程进出口管嘴的质量流速有关,即折流板结构对其影响可忽略。管束压降:

(2)

其中,—旁路挡板压降校正系数;—折流板块数;—雷诺数,;—圆缺率百分数值,即;—管子的当量直径,;—按壳程流通面积计算所得的壳程流速,;——折流板间距,。

(3)

因为= ,L为换热管管长,正比于,由(3)式可知,管束压力降正比与,即管束压力降与折流板间距的2.8次方成反比例;管束压力降与圆缺率的()成正比例,其关系曲线如图1所示。

  图1 壳程压降与圆缺率变化关系 对壳程给热系数的影响 换热系数的大小,主要取决于换热器中两流体的对流传热系数、污垢层的热阻、换热管管壁的热阻。由于后两种热阻较小,可忽略不计,根据传热系数简化其计算公式:

(4)

其中,—总传热系数,;—壳程给热系数,;—管程给热系数,。

由(4)可知,增大对流换热系数小的那一侧时,将更加有效地增加总传热系数。壳程设置折流板,使得壳程流体横向冲刷换热管束,并周期性地改变流向,加快了传热表面流体的剥离速度并使流体充分混合,增强了对流换热效果,使得壳程给热系数增大。以光管外表面积为基准的壳程给热系数,可用下式计算:

(5)

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