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換熱器的強度和傳熱速率的計算

  • 發(fā)布時間:2019-12-12
  • 發(fā)布者: 百度文庫
  • 來源: 百度文庫
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  換熱器的主要作用是利用汽輪機做功后的蒸汽加熱供暖用的循環(huán)水,從而使蒸汽冷卻后變成水再回用?,F(xiàn)行使用的熱網(wǎng)換熱器一般都采用管殼式結構,常用的換熱管為冷拔鋼管。由于熱網(wǎng)系統(tǒng)中的循環(huán)水只經(jīng)過簡單的軟化和過濾處理,所以易在換熱器的換熱管內壁結垢,這樣就大大降低了傳熱效率,通常半年至一年設備就要清理一次。用波紋換熱管制造熱網(wǎng)換熱器,改善了管內結垢狀況,經(jīng)實際運行使用,效果良好。
  1 用波紋管制造熱網(wǎng)換熱器的依據(jù)
  1.1 流體在管子內外的流動狀態(tài)對兩側流體之間傳熱的影響
  1.1.1 流體在管子內的流動型態(tài)
  通常當流體在管內流動時可分為層流、湍流和過渡流三種流動狀態(tài)。每種流動狀態(tài)都會在靠近管壁處形成邊界層(邊界層又分為層流、湍流、過渡流三種流動狀態(tài))。這是因為流體具有粘滯性、潤濕性的結果,即使是湍流邊界層,在靠近管壁面仍存在一很薄的滯流內層,此層內流體的流動仍為層流。
  1.1.2 流體在換熱器管間的流動狀況
  通常采用的列管式換熱器都帶有折流擋板,流體在管間流動時,流向和流速均不斷變化,因而在Re(雷諾準數(shù))>100時即可能(推薦:太陽能)達到湍流,所以一般按湍流考慮。
  1.1.3 無相變的流體在管子內外的傳熱情況
  在管兩側緊貼壁面的滯流內層中,沿壁面的法線方向上沒有對流傳熱,該方向上熱量的傳遞僅為流體的熱傳導。由于流體的導熱系數(shù)較低,使滯流內層中的導熱熱阻就很大。假設管壁兩側的流體為湍流流動,在管壁兩側的湍流主體中,因流體質點劇烈混合并充滿旋渦,所以湍流主體中的溫度差(溫度梯度)小,各處溫度基本相同。在湍流主體和滯流內層之間的緩沖層中,熱傳導和對流傳熱均起作用,在該層內溫度發(fā)生緩慢的變化。如圖1所示。若管壁兩側的流體為層流流動,則在層流主體中,沿壁面的法線方向上的熱量傳遞只是流體的熱傳導,詳情可參考滯流內層中的傳熱情況。
  從以上分析可知,對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內層中,因此減薄滯流內層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。
  1.1.4 波紋管內外兩側流體(外側的流體有相變)之間的傳熱分析。
  在波紋管內側,當流體由縮徑處進入擴徑處時會發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象,此時在擴徑處產(chǎn)生流體空白區(qū),一部分流體會倒流回來填充空白區(qū),這樣在擴徑腔內產(chǎn)生流向相反的兩種流體,即而形成旋渦,如圖2所示。由于旋渦的存在,加劇了流體質點之間的碰撞,大地破壞了邊界層和滯流內層,使其厚度減薄,減少了滯流內層的熱阻,同時減輕了污垢在管內壁的沉積,這樣就大大地提高了內側的對流傳熱系數(shù)。
  在波紋管外側,由于波紋管表面的凸起和凹陷改變了冷凝液膜的薄厚分布,在擴徑處外部液膜厚度薄,此處對流傳熱系數(shù)遠遠大于光滑管外部凝結時的對流傳熱系數(shù),在縮徑處外部液膜厚度較厚,該處對流傳熱系數(shù)較光滑管外部凝結時的對流傳熱系數(shù)略小一些,不過總的平均對流傳熱系數(shù)比光滑管大得多。
  1.2 換熱器總傳熱系數(shù)K0值的計算及其影響因素
  以管子外壁為基準的列管換熱器的總傳熱系數(shù)K0值按如下公式計算
  Ko為總傳熱系 W/(m2.℃)
  ai為管內側的對流傳熱系數(shù)數(shù) W/(m2.℃)
  a0為管內側的對流傳熱系數(shù)數(shù) W/(m2.℃)m2。
  b為管壁厚度℃  m
  di為管內徑  m
  do為管外徑  m
  dm為管中徑  m
  Rsi為管內側的污垢熱阻  m2.℃/W
  Rso為管外側的污垢熱  m2.℃/W
  λ為管子導熱系數(shù) W/(m2.℃)
  一般(管壁熱阻)較小,Rso(蒸汽側污垢熱阻)也不大,這兩項對Ko值的影響不明顯,因此ai、ao、Rsi是決定Ko值的主要因素。當ai、ao增大Rsi減小時Ko值增大,反之Ko值則減小。
  對于波紋管式換熱器,ai、ao較大,Rsi很小,可使波紋管換熱器總傳熱系數(shù)Ko為光滑管換熱器Ko的兩倍多。
  1.3 總傳熱系數(shù)Ko對換熱器傳熱速率的影響
  換熱器的傳熱速率可用如下公式計算
  Q=KoSo△tm
  Q為傳熱速 W
  K0率為總傳熱系數(shù)(以管外壁為基準) W/(m2.℃)m2
  So為傳熱面積(以管外壁為基準) m2
  當△tm不變(冷熱流體進出口溫度不變)、So也不變時,Q與Ko成正比。
  對于波紋管式換熱器,在△tm、So相同的情況下,傳熱速率比光滑管換熱器的傳熱速率大一倍多,即換熱器的處理量增大一倍多。
  2 波紋管式熱網(wǎng)換熱器的設計
  2.1 管殼式熱網(wǎng)換熱器的型式選擇
  采用浮頭式結構,可有效地消除管子與殼體之間的溫差應力,還可以利用原換熱器的殼體和上下管箱部分。
  1.上管箱2.殼體3.管系4.下管箱5.浮頭蓋
  2.2 熱網(wǎng)換熱器波紋管型式的選取
  用于熱網(wǎng)換熱器的波紋管主要有兩種型式
  波紋管具有穿管容易、更換管方便的優(yōu)點,有利于設備的檢修。
  波紋管具有排管間距小的優(yōu)點,在保證設備傳熱面積不變的情況下,可使設備體積減小、重量減輕從而降低制造成本。本設計因排管空間所限,2.3 波紋管折流板(兼支撐板)形式的選擇
  本加熱器采用單弓形折流板并兼支撐板。
  支撐板的厚度一定要大于波紋管的波距,否則當支撐板處在波紋管縮徑處時,如圖7,會因管子與孔之間間隙過大而出現(xiàn)管子振顫現(xiàn)象,影響設備使用壽命。
  折流板制造容易,但由于板整體加厚使得重量較大。折流板重量較輕,但加工制造較復雜。
  為減輕設備重量
  2.4 換熱管與管板的連接形式的選擇
  本設計采用強度脹加密封焊的連接形式,脹管長度為50mm,脹管率為7%,并在管孔中開兩道寬3mm,深0.6的槽,焊接方法為氬弧焊,方式為自熔。
  2.5 換熱器管架結構的設計
  采用若干短槽鋼與折流板間用螺栓連接形式,增強了管架的總體剛性。
  3 結論
  1.波紋管換熱器比光滑管換熱器具有更高的傳熱系數(shù)。
  2.波紋管換熱器具有不易在管壁結垢的優(yōu)點。
  3.波紋管換熱器比原換熱器重量輕、成本低。目前,我們研制的波紋管式熱網(wǎng)換熱器已在內蒙古伊敏電廠投入使用,運行良好。

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