波紋管換熱器的工作特性及應(yīng)用

1、波紋管換熱器的工作特性及應(yīng)用1波紋管換熱器是20世紀(jì)90年代末最新研究開發(fā)出來的新型間波紋管換熱器的結(jié)構(gòu)特點: 波紋管換熱器屬于列管式換熱器,它由殼體、管束、管板和封頭等幾部分組成。在殼體內(nèi)安裝有6塊或不等的折流擋板,不僅可防止流體短路、增加流體速度,而且還可以迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束,使湍流程度增加。波紋管的結(jié)構(gòu)見圖1。波紋管換熱器的列管采用鈦材質(zhì)波紋管,非普通直管,其特點為: 1)熱效率高。由于換熱管采用波紋形式,管內(nèi)流道截面連續(xù)不斷地突變,造成流體即使在流速很低的情況下也始終處于高度湍流狀態(tài),難以形成層流,使對流傳熱的主要熱阻被有效地克服,管內(nèi)外傳熱被同時強化,因而傳熱系數(shù)很高

2、,一般為直管式的23倍。2)防垢能力強。由于流道內(nèi)流體的高度湍流,使流體中的微粒難以沉積結(jié)垢,即使有少量垢生成,由于波紋管上存在管殼程溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變,使具有彈性特征的波紋管曲率發(fā)生微觀變化,從而使波紋管換熱器具有自然防垢和自然除垢的能力。介質(zhì)在管內(nèi)外強烈湍流對管壁沖刷強烈,另外波紋管表面的光滑弧線也能抑制水垢的生成和生長。3)波紋管屬柔性元件,在溫差和壓差較大的場合下具有自我補償能力,可大大降低管板和筒體的應(yīng)力,不易拉脫、泄漏.4)采用優(yōu)質(zhì)的鈦材料,設(shè)備抗腐蝕能力高,設(shè)備使用壽命長。 5)體積小,占地面積小,運行維護費用低。6)獨特的完全自由成形工藝,沒有強烈形變,無晶間缺陷,應(yīng)力分布均

3、勻。2波紋管換熱器的傳熱特點21傳熱原理化工生產(chǎn)中的物質(zhì)間熱交換常遇到的是溫度不太高的流體間的熱交換,熱量自熱流體傳到間壁表面的一側(cè),自間壁另一側(cè)表面?zhèn)鹘o冷流體,以對流傳熱為主。對流傳熱是在流體流動的過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,所以和介質(zhì)流動的情況密切相關(guān)。在湍流流動的情況下,流體主流中由于旋渦叢生,流體各部分相互混合,所以熱阻很小,從而在流體流動方向垂直的截面上,湍流中心區(qū)各點流體之間的溫度趨于一致。但在緊靠壁面處,總有一層流體膜順著壁面作層流流動,稱為層流底層。由于通過這層流體膜的傳熱是以導(dǎo)熱方式進行的,所以流體膜雖薄,卻是對流傳熱的主要熱阻,溫度降也主要集中在層流底層中。圖2為對流傳熱時沿

4、熱流方向的溫度分布情況示意圖。圖中11與22為層流底層的界面,為熱流體中心溫度,即最高溫度,為冷流體中心溫度,即最低溫度。在熱流體的湍流主體中,由于流體質(zhì)點充分混合,溫度基本上是一致的,即圖中。在層流底層和湍流主體之間存在一個溫度逐漸變化的區(qū)域,稱為過渡區(qū)。溫度由下降到。在層流底層內(nèi),由于熱阻較大,溫度急劇由下降到。再往左通過管壁,因其材料通常為金屬,熱阻很小,因此,管壁兩側(cè)的溫度和相差很小。在冷流體內(nèi),又順次通過層流底層、過渡區(qū)而到達(dá)湍流主體,溫度由經(jīng)下降到。圖2中曲線和曲線的意義相似。2.1提高換熱系數(shù)的途徑傳熱學(xué)傳熱速率公式如下: 從公式(1)可以看到,換熱量和換熱系數(shù)成正比,要提高換熱

5、器的熱交換能力,就必須想辦法提高換熱系數(shù)值。根據(jù)傳熱學(xué)原理對流傳熱時圓筒型壁熱交換管的總熱阻公式為:由間壁兩側(cè)流體熱交換過程及公式(2)可以看出,要想提高熱交換器的換熱性能,就要努力降低總熱阻,即提高總熱交換系數(shù)值,從中不難看出提高換熱系數(shù)值有如下途徑:1)減少層流層,增加湍流層,從而提高對流傳熱系數(shù)1、2。由傳熱學(xué)得知,值主要取決于對流傳熱系數(shù),因此,必須設(shè)法同時提高流體兩側(cè)的對流傳熱系數(shù)1、2。2)減少傳熱距離,即減少換熱管壁厚。3)提高傳熱系數(shù),此問題可以通過選用導(dǎo)熱性能好的換熱管材料實現(xiàn)。4)降低污垢熱阻,當(dāng)污垢熱阻起很大作用時,必須設(shè)法減慢污垢生成速率或清洗。3兩種換熱器的運行情況對

6、比板式換熱器是20世紀(jì)70年代開發(fā)使用的高效換熱設(shè)備。是由一組金屬薄板之間襯以墊片并用框架夾緊組裝而成,冷、熱流體分別在板片兩側(cè)流過,通過板片進行換熱。板片厚度為0.53。由于板片壓制成各種波紋形狀,既增加了剛度,又使流體分布均勻,加強湍流,故而傳熱系數(shù)較高。經(jīng)幾年的使用運行,鈦板換熱器存在以下問題:由于母液中夾帶大量的細(xì)晶堿,導(dǎo)致鈦板換熱器結(jié)疤淤塞非常嚴(yán)重,致使系統(tǒng)阻力大,換熱效率低;鈦板換熱器酸洗、檢修、清理工作量大,且檢修費用高;由于母液腐蝕沖劇嚴(yán)重,導(dǎo)致鈦板換熱器壽命降低。由以上計算與分析可看出,在正常情況下,波紋管換熱器比鈦板換熱器的換熱系數(shù)高1.6倍,同時波紋管換熱器比鈦板換熱器在

7、結(jié)構(gòu)上更具有優(yōu)勢。1)波紋管換熱器將液體流動全部改為湍流狀態(tài),使冷熱流體的給熱系數(shù)提高,從而提高了總的換熱系數(shù)。2)鈦板換熱器要受到污垢熱阻的影響,而波紋管換熱器將污垢熱阻消除為零,從而使波紋管換熱器的總換熱系數(shù)有很大的提高。3)波紋管換熱器和鈦板換熱器的材質(zhì)相同,冷熱流體的介質(zhì)也均相同,因此,傳熱系數(shù)的高低只取決于給熱系數(shù)和熱阻問題,提高給熱系數(shù)和降低熱阻是提高換熱系數(shù)的最有效途徑。4兩種換熱器的經(jīng)濟效益對比4.1節(jié)省蒸汽4.2節(jié)約循環(huán)水。4.3節(jié)省檢修費用鈦板換熱器由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,在正常生產(chǎn)運行中,常常會有板片間細(xì)堿淤垢和結(jié)疤等現(xiàn)象發(fā)生,從而影響換熱效果和使系統(tǒng)阻力增大,必須定期進行酸洗和清理,才能達(dá)到正常使用要求。每年需要酸洗鈦板4次,酸洗費用為7320元