不同封头结构对板翅式换热器换热性能的影响
摘要:研究了不同封头结构对换热器换热性能参数的影响情况,计算了雷诺数及封头结构不同时 换热器的传热系数K、摩擦因数f和火用效率ηe,结果表明,采用孔板型封头可提高传热系数,改善 换热效果,进、出口阻力的增加幅度在工业允许范围内。进一步的热力过程分析发现,在实验雷诺 数范围内,错排孔板型封头的火用效率提高了近3%。
板翅式换热器以其传热效率高、结构紧凑、轻巧、适应性广的特点,已在空分、石油化工和船舶制 冷等领域得到广泛的应用。但在实际使用中,换热器部件设计不当、制造工艺以及安装等原因会导致 换热器内部物流分配不均,造成换热器内部温度分布不均匀,致使换热效率降低[1,2]。其中封头结构设计不合理是引起换热器内部物流分配不均的重要因素[3~5]。
国内外许多研究人员针对物流分配对换热器效能的影响进行了大量的研究,但大部分研究工作都集中在理论模型的建立以及数值计算方面,换热性 能的试验研究却很少见。因此,利用换热实验来研 究影响板翅式换热器换热性能的各种参数,如传热系数、摩擦因数和火用效率等,更有助于说明改进封头型式是否能有效地改善换热器的换热性能。因此,笔者利用换热实验系统,在物流分配和温度分布实验的基础上,对封头结构不同时板翅式换热器的换热性能进行了研究。
1实验系统及实验内容
实验采用空气为热流体,水为冷流体,逆流方式布置。实验系统主要由气路系统、水路系统和数据采集系统组成,见图1。实验研究的对象是经过模化结构的目前某空分厂正在使用的板翅式换热器和导流体[3,6]。将试件出口截面划分为30个小的区域[6],每个小区作为1个通道,从而可以实现小通道流量,进、出口压差(阻力)及温度的测量。
实验中换热器冷侧为固定安装的基本型封头, 而热侧为可拆装的不同结构的封头。分别对3种不同结构的封头进行实验,以研究其对换热器换热性 能的影响。首先采用工业上普遍应用的基本型封头,其结构尺寸与文献[3]中定义的封头A一致。其次采用孔板型封头结构,即在基本型封头内部1/ 2高度的地方加入一不均匀打孔挡板。根据所加挡板类型,将顺排挡板的定义为B型封头,将错排挡 板的定义为C型封头。孔板型封头结构和孔板结 构见图2。
2实验过程及结果分析
2.1传热性能
实验中,保持冷流体水的雷诺数Re=2000,温 度约18℃,热流体空气的进口温度近似为58℃,通过改变热流体空气的Re,考察不同封头结构下换热 器30路出口的温度分布和阻力损失,以此来比较反 映换热器性能的传热系数K和摩擦因数f。
由于空气侧的雷诺数是影响传热系数的主要因素,因此在实验中做了如下简化:①未考虑换热过程中的漏热损失和轴向导热。②由于空气侧的热阻是主要部分,因此在计算过程中忽略了冷侧水的热阻、隔板的热阻、换热器两侧污垢的热阻以及其它一些 热阻。③不考虑冷、热流体在换热过程中Re的小波动。
2.1.1传热系数
封头结构不同时计算得到的换热器传热系数 K与Re的关系见图3。从图3中可以看出,传热系 数K随着Re的增大而增大。在Re相同时,封头A 的K始终最小,封头B的次之,封头C的最大,并且随着Re的增大,K提高的幅度也越大。Re=900 时,封头A的K=108.54W/(m2·K),封头C的 K=122.59W/(m2·K),相差12.9%;当Re= 2100时,封头A的K=177.32W/(m2·K),封头 C的K=209.20W/(m2·K),相差17.4%。因此, 在实际换热过程中,当Re较大时,使用改进型封头 结构能明显地提高换热器的传热系数,强化换热,提高换热器的换热效率。
2.1.2摩擦因数
换热器空气侧摩擦因数f与Re的关系图见图 4。从图4中可以看出,孔板型封头的摩擦因数f比原始封头的f要大,特别是Re较低时。从图中还 可以看出,封头B的阻力损失最大,封头A的阻力 损失最小,而封头C的阻力损失介于两者之间。这 是由于在入口段添加了孔板,致使其流动阻力增加, 在强化换热器换热的同时增大了流动阻力,符合传 热学的基本理论。另外,随着Re的增加,封头C的 摩擦因数越来越接近于封头A的,如当Re=900 时,封头A的摩擦因数与封头C的摩擦因数相差 94.9%,而Re=3000时只相差21.5%,这说明了 在Re较大的情况下,采用封头C不仅可有效地改善换热器的物流分配和温度分布的均匀性,而且可 有效地降低由于强化换热而造成的阻力损失。
2.2热力学分析
2.2.1热力过程分析
以热力学第二定律为基础,从火用效率的角度综 合分析换热器的性能。板翅式换热器冷、热体换热 过程见图5,图中Ta1、Ta2分别为空气的进、出口温 度,Tw1、Tw2分别为水的进、出口温度,K。根据热力 学第二定律,火用平衡方程为:
Exa1+Exw2=Exa2+Exw1+E1(1)
式中,Exa1、Exa2分别为空气进、出口火用,Exw1、Exw2分 别为水进、出口火用,E1为换热器内的火用损,kJ/s。
取空气的平均比定压热容作为计算参数,则空 气火用的变化为:
2.2.2计算结果分析
在水侧入口条件不变时,随着空气侧雷诺数的增 大,传热系数和传热温差增加,提高了传热效果。但 随着空气流速的增大,流动阻力增大,系统的不可逆 损失也增大,使得换热器的火用效率ηe降低。 换热器火用效率与空气侧Re关系见图6。从图6 可以看出,封头B和封头C的火用效率始终优于封头A 的,并且随着Re的增加,改进的效果也越明显。Re= 900时,封头A、封头B和封头C的火用效率分别为 74.3%、75.2%和75.4%,3种封头火用效率相差不大, 封头C的火用效率仅比封头A的提高了1%。随着Re 的上升,火用效率的差距也随之增加。Re=2100时,封 头C的火用效率比封头A的提高了将 近3%。采用火用 效率计算时要用到多个流体参数,而不像采用能效率 计算时仅与温度有关[7],因而其值更能贴近换热器的 实际换热效果,更具有比较意义。
3结语
(1)通过换热性能实验,计算出了表征板翅式换热器性能参数的传热系数K和摩擦因数f随Re的变化关系。结果表明,采用孔板型封头可提高传热系数,改善换热效果,虽然阻力损失有所增加,但在工业允许范围内是可以接受的。
(2)通过对热力学过程进行分析,计算出了换热器火用效率随Re的变化关系。结果表明,随着Re的增大,流动阻力损失增大,系统的不可逆损失也增大,使得换热器的火用效率ηe降低。孔板型封头性能始终要优于原始封头,随着Re的增加,改善效果越明显。
(3)分析了不同工况条件下换热器的换热性能参数,表明错排孔板型封头结构更为合理。
参考文献:
[1]陈长青,沈裕浩.低温换热器[M].北京:机械工业出版社,1993.
[2]凌祥,周帼彦,邹群彩,等.板翅式换热器新技术及应用[J].石油化工设备,2002,31(2):9-12.
[3]张哲,厉彦忠,许箐.板翅式换热器物流分配特性的实验研究[J].西安交通大学学报,2003,37(9):920-924.
[4]JianWen,YanzhongLi.StudyofFlowDistributionandItsIm- provementontheHeaderofPlate-finHeatExchangers[J].Cryo- genics,2004,44(8):823-831.
[5]周爱民,厉彦忠,文键,等.封头对板翅式换热器流动及阻力特 性的影响[J].石油机械,2006,34(5):10-13.
[6]文键,厉彦忠,周爱民.板翅式换热器性能改进研究[J].气体 分离,2007,15(1):12-15.
[7]杨世铭,陶文诠.传热学[M].北京:高等教育出版社,1998:332- 335. (张编)
