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不锈钢波纹管强化传热机理分析及在换热器中的应用

发布日期: 2013-8-12          浏览次数: 1451


新型不锈钢波纹管是选用特种不锈钢板材,滚压卷成几种规格圆形薄壁光管,将焊缝错开套装成多层薄壁圆形光管,再经特殊工艺涨波凸起成型的多层波纹管。该波纹管的管内流动呈等直径流束型式和弧形流束型式,使流速和压力周期性的变化,冷热流体产生强烈扰动,实现了复合强化换热。本文在水-水换热条件下,对该波纹管强化换热规律进行了实验研究,分析了新型波纹管的强化传热机理,并给出该管的优化尺寸范围,为新型不锈钢波纹管在换热器中的实际应用提供了理论依据。关键词:新型不锈钢波纹管;实验研究;强化传热;波纹管换热器

近年来波纹管型换热器以其传热效果好、不结垢、不易堵,同时具有原传统的固定管板换热器结构简单、适用性强等优点,在热电系统、化工、医药、食品等行业获得广泛的应用。这种换热器采用波纹型强化换热管代替壳管式换热器中的直管,将波纹管的优点与壳管结构的优点结合起来,成为一种新型、高效能的换热器。但目前市场上的波纹管型换热器,其波纹管元件普遍采用不锈钢无缝管涨制成而,这种元件最致命的弱点是承压低、容易发生应力腐蚀导致内漏,甚至个别波纹管断裂,经济损失巨大甚至发生危险。

本文介绍一种新型不锈钢多层波纹管的结构,通过传热性能试验和与直管的对比,分析了新型波纹管强化传热机理,并通过波纹管换热器与管壳式换热器实际运行数据的对比分析,证明该新型波纹管不仅是强化传热的有效元件,且能承受较高压力,有效的防止了内漏的发生。

1  新型不锈钢多层波纹管的结构

新型不锈钢多层波纹管〔1〕,是选取壁厚为δ= 0.4~0.5mm的特种不锈钢板材,滚压卷成外径为D0 = 20~34mm的几种规格圆形薄壁光管,直径相差Δd = 0.8~1.0mm,将焊缝错开套装成多层薄壁圆形光管,再经特殊工艺涨波凸起成型为多层波纹管。如下图的两层波纹管基本结构:

2  传热性能测试

实验系统如图2所示,整个实验装置主要包括试验段(换热器)、加热器、泵、回水箱、管路系统、电加热系统和测量系统。传热面两侧为水-水逆流运行,热流体走管程,冷流体走壳程。冷、热流体逆流运行。测试装置、测试流程、测试仪表、测试方法和计算方法等均符合《管壳式换热器》和Q/ LJ201 - 1998《管壳式换热器性能测试方法》标准规定的要求。为便于比较,分别选取双层不锈钢波纹管、单层不锈钢波纹管、不锈钢直管和黄铜管,测试件技术数据见表1 ,实验测定了管的传热性能和流动阻力特性,得出传热系数、流动压差与流速的曲线关系。测试结果见图3。


3  强化传热机理分析(1)新型不锈钢波纹管特殊的波峰与波谷设计,使管内流动分为等直径流速型式和弧形流速型式,流体沿流动方向在波峰处速度降低、静压增大;波谷处速度增加、静压减小,使流速和压力周期性的变化,冷热流体流动时会产生强烈扰动,流动状态达到充分湍流,极大的破坏了边界层的形成,使得波纹管传热系数明显高于直管,总传热系数可达直管的2倍,见图3。但管内流动阻力比直管略大,且流速越高,流动阻力越大,见图4。

以总传热系数达最高值为目标函数,通过试验和计算机整理,得出双层波纹管最佳设计波峰、波距等参数的优化尺寸如下:d2/d1= 1.3~1.5  L2/L1= 0.3~0.6  L1/d1= 0.35~0.55(2)新型不锈钢波纹管超薄型的设计(0.5~0.8mm) ,热阻很小,波峰与波谷的存在,使其轴向伸缩能力较强,有效地减小了温差应力,能适应较大温度的变化。(3)特殊滚压工艺成形的双层波纹管,表面曲率大、可伸缩,产生结垢容易脱落,使其具有较强的防垢和自动除垢能力。(4)在两种型号的波纹管中,单层管的传热系数比双层管大,这是因为单层管的导热热阻较小,且无接触热阻。虽然双层波纹管总传热系数略有降低,但比单层管有更强的抗外压和承内压能力,在实际工程中已获得了成功的应用[2 ]。

4  在换热器中的应用测试

在工程实际中,采用新型不锈钢波纹管代替壳管式换热器中的直管,并注意在设计时将原管程的径向折流板改为轴向折流板。将安装了波纹管的换热器(1号机)与普通列管换热器(2号机)分别进行了运行测试,测试条件见表1 ,测试结果见表2。

根据实测数据和天然气的组分,分别计算了两种机型的换热量,结果如下:换热面积:2号机A1 = 58m2  1号机A2 =45m22号机换热量 qi = (94 - 54)×( mi×Cpi) / A1 = 1350Kcal/ h1号机换热量 qi = (94 - 54)×( mi×Cpi) / A1 = 217515Kcal/ h换热量比率( Qi - qi) / qi = 61 %

从计算结果可以看出,波纹管换热器的换热效率比列管换热器高61 %。

5  结论(1)新型不锈钢波纹管不仅有较强的传热性能,而且能适应较大温度的变化,还具有较强的防垢和自动除垢能力,特殊的多层设计,虽传热系数略有降低,但比单层管有更强的抗外压和承内压能力。(2)波纹管换热器的换热效率高于原普通列管式换热器,在原运行环境下,波纹管换热器的天然气出口温度甚至能够达到低于原设计值,且维护工作量大大降低,达到长周期运行的目的。(来源:波纹管生产厂家

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