波纹管换热器的工作特性及应用

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1、波纹管换热器的工作特性及应用1．波纹管换热器是20世纪90年代末最新研究开发出来的新型间波纹管换热器的结构特点:波纹管换热器属于列管式换热器,它由壳体、管束、管板和封头等几部分组成。在壳体内安装有6块或不等的折流挡板,不仅可防止流体短路、增加流体速度,而且还可以迫使流体按规定路径多次错流通过管束,使湍流程度增加。波纹管的结构见图1。波纹管换热器的列管采用钛材质波纹管,非普通直管,其特点为:1)热效率高。由于换热管采用波纹形式,管内流道截面连续不断地突变,造成流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度湍流状态,难以形成层流,使对流传热的主要热阻被有效地克服,管内外传热被同

2、时强化,因而传热系数很高,一般为直管式的2～3倍。2)防垢能力强。由于流道内流体的高度湍流,使流体中的微粒难以沉积结垢,即使有少量垢生成,由于波纹管上存在管壳程温差应力而产生的应变,使具有弹性特征的波纹管曲率发生微观变化,从而使波纹管换热器具有自然防垢和自然除垢的能力。介质在管内外强烈湍流对管壁冲刷强烈,另外波纹管表面的光滑弧线也能抑制水垢的生成和生长。3)波纹管属柔性元件,在温差和压差较大的场合下具有自我补偿能力,可大大降低管板和筒体的应力,不易拉脱、泄漏.4)采用优质的钛材料,设备抗腐蚀能力高,设备使用寿命长。5)体积小,占地面积小,运行维护费用低。6)独特的完全

3、自由成形工艺,没有强烈形变,无晶间缺陷,应力分布均匀。2　波纹管换热器的传热特点2．1传热原理化工生产中的物质间热交换常遇到的是温度不太高的流体间的热交换,热量自热流体传到间壁表面的一侧,自间壁另一侧表面传给冷流体,以对流传热为主。对流传热是在流体流动的过程中发生的热量传递现象,所以和介质流动的情况密切相关。在湍流流动的情况下,流体主流中由于旋涡丛生,流体各部分相互混合,所以热阻很小,从而在流体流动方向垂直的截面上,湍流中心区各点流体之间的温度趋于一致。但在紧靠壁面处,总有一层流体膜顺着壁面作层流流动,称为层流底层。由于通过这层流体膜的传热是以导热方式进行的,所以流体

4、膜虽薄,却是对流传热的主要热阻,温度降也主要集中在层流底层中。图2为对流传热时沿热流方向的温度分布情况示意图。图中Ｆ1Ｆ1与Ｆ2Ｆ2为层流底层的界面,Ｔ′为热流体中心温度,即最高温度,ｔ′为冷流体中心温度,即最低温度。在热流体的湍流主体中,由于流体质点充分混合,温度基本上是一致的,即图中Ｔ′。在层流底层和湍流主体之间存在一个温度逐渐变化的区域,称为过渡区。温度由Ｔ′下降到Ｔｂ。在层流底层内,由于热阻较大,温度急剧由Ｔｂ下降到Ｔｗ。再往左通过管壁,因其材料通常为金属,热阻很小,因此,管壁两侧的温度Ｔｗ和ｔｗ相差很小。在冷流体内,又顺次通过层流底层、过渡区而到达湍流主体,

5、温度由ｔｗ经ｔｂ下降到ｔ′。图2中曲线ｔｗｔｂｔ′和曲线Ｔ′ＴｂＴｗ的意义相似。2.1提高换热系数的途径传热学传热速率公式如下:从公式(1)可以看到,换热量和换热系数Ｋ成正比,要提高换热器的热交换能力,就必须想办法提高换热系数Ｋ值。根据传热学原理对流传热时圆筒型壁热交换管的总热阻公式为:由间壁两侧流体热交换过程及公式(2)可以看出,要想提高热交换器的换热性能,就要努力降低总热阻,即提高总热交换系数Ｋ值,从中不难看出提高换热系数Ｋ值有如下途径:1)减少层流层,增加湍流层,从而提高对流传热系数α1、α2。由传热学得知,Ｋ值主要取决于对流传热系数,因此,必须设法同时提高流体

6、两侧的对流传热系数α1、α2。2)减少传热距离,即减少换热管壁厚ｂ。3)提高传热系数λ,此问题可以通过选用导热性能好的换热管材料实现。4)降低污垢热阻Ｒｓ,当污垢热阻起很大作用时,必须设法减慢污垢生成速率或清洗。3　两种换热器的运行情况对比板式换热器是20世纪70年代开发使用的高效换热设备。是由一组金属薄板之间衬以垫片并用框架夹紧组装而成,冷、热流体分别在板片两侧流过,通过板片进行换热。板片厚度为0.5～3ｍｍ。由于板片压制成各种波纹形状,既增加了刚度,又使流体分布均匀,加强湍流,故而传热系数较高。经几年的使用运行,钛板换热器存在以下问题:①由于母液中夹带大量的细晶碱

7、,导致钛板换热器结疤淤塞非常严重,致使系统阻力大,换热效率低;②钛板换热器酸洗、检修、清理工作量大,且检修费用高;③由于母液腐蚀冲剧严重,导致钛板换热器寿命降低。由以上计算与分析可看出,在正常情况下,波纹管换热器比钛板换热器的换热系数高1.6倍,同时波纹管换热器比钛板换热器在结构上更具有优势。1)波纹管换热器将液体流动全部改为湍流状态,使冷热流体的给热系数提高,从而提高了总的换热系数。2)钛板换热器要受到污垢热阻的影响,而波纹管换热器将污垢热阻消除为零,从而使波纹管换热器的总换热系数有很大的提高。3)波纹管换热器和钛板换热器的材质相同,冷热流体的介质