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管殼式換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展
2014-09-23 10:18
管殼式換熱器殼程擋板和管束支撐物的發(fā)展表現(xiàn)為折流板形式的改變和發(fā)展，它們的特點是通過開發(fā)和改進殼程換熱管的支撐結(jié)構(gòu)，盡可能消除殼程流體流動的傳熱死區(qū)，提高殼程的傳熱性能，降低殼程的流動阻力，提高流速，減少積垢，達到強化傳熱、減少腐蝕、增強管束抗振性能的目的。目前已出現(xiàn)的形式可歸納為折流板、折流桿和其他類型的結(jié)構(gòu)。
折流板的設置，可提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束進而改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)。弓形折流板是最常用的折流板形式，他是在整圓形板上切除一段圓缺區(qū)域，它的作用是折流即改變流體流向。殼程內(nèi)多塊折流板的設置使得流體逐次翻越折流板，呈“之”字形流動。弓形折流板有單弓形、雙弓形和三弓形(見附圖)。在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流體繞到折流板背后接近殼體處，會有一部分流體停滯起來，形成對傳熱不利的“死區(qū)”，為消除此影響，可以采用多弓形折流板。多弓形折流板開口區(qū)域大，殼程內(nèi)流體的流向不是單一的橫向沖刷，因而壓降較小。除弓形外，常用的折流板形式還有圓盤-圓環(huán)形，它是由大直徑的開孔圓環(huán)板和小直徑的盤板交錯排列組成，介質(zhì)流動的特性是與軸心對稱，流動多為與管束相向的平行流，因此流動阻力較單弓形折流板小，與管子垂直的橫流引起的振動小，但殼程傳熱系數(shù)比單弓形的小。此外還有螺旋形折流板，螺旋形折流板有四分之一螺旋折流板、三分之一螺旋折流板、連續(xù)螺旋折流板(見附圖)，相同流速的情況下螺旋折流板的壓力損失遠小于弓形折流板的壓力損失，因而可以將螺旋板換熱器殼程流速設計的很大，壓力損失小又無流動盲區(qū)且降低積垢，單位壓降下傳熱系數(shù)大是螺旋折流板換熱器的明顯特征。
除了折流板式的管束支撐結(jié)構(gòu)，最常用的還有折流桿式的管束支撐結(jié)構(gòu)。折流桿是最常用的柵式折流方式，用于支撐管子，增大殼程流體湍流。折流桿式換熱器的流體流動平行于管子，流體誘導的振動會由管子的折流支撐而消除，當流體的流速達到一定值時，流體經(jīng)過支撐桿處的旋渦脫落和折流圈處的文丘里效應在后面產(chǎn)生旋渦尾流，流體的流速越大則湍流越激烈，從而強化了傳熱。在旋流強度減弱后，流體通過后面的折流元件又產(chǎn)生新的旋流和節(jié)流。隨著流體流速的的加快和湍動度增強，流體對管外邊界層液膜的剪力加大，既提高了傳熱系數(shù)又有除垢防垢作用。折流桿與換熱管之間為點接觸或線接觸，接觸面積小，因此充分利用了換熱面積，消除了換熱死區(qū)，由于其既不存在管束的橫向阻力，也沒有反復的轉(zhuǎn)變效應，故殼程壓力降很小。由于折流桿換熱器殼程主流區(qū)為縱向流，因此折流桿換熱器具有抗振性能好、殼程壓降低、抗結(jié)垢性能強等優(yōu)點。折流桿的不足之處是只有在大流量或高流速的情況下才能顯示出其優(yōu)異的性能。
除了折流板、折流桿型的管束支撐結(jié)構(gòu)外，還有整圓形折流板式、空心環(huán)式、換熱管自支撐式、螺旋扭片支撐等結(jié)構(gòu)等，總之各種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點，設計時要根據(jù)具體情況進行選擇。
綜上所述，從結(jié)構(gòu)上看，管束支撐結(jié)構(gòu)趨于簡單化，管間流通面積趨于擴大化。從性能上看，支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展有以下特點：殼程流體流動由橫向流變?yōu)榭v向流或螺旋流的同時，流阻降低，流動壓降減小，傳熱面積得到充分利用，因而殼程的綜合傳熱性能明顯提高;抗振性能和抗結(jié)垢性能顯著提高，使設備的使用壽命延長，維護費用降低;支撐結(jié)構(gòu)簡單化使制造更方便，并節(jié)約材料和設備投資。然而，現(xiàn)階段各種支撐結(jié)構(gòu)對殼程流體流動微觀上的影響仍然不是十分清楚，理論研究仍然還不完善，究竟是哪一種結(jié)構(gòu)最優(yōu)仍需要做更多的對比研究。但也要指出殼程支撐結(jié)構(gòu)對換熱器總體傳熱性能提升的影響是有限的，也要看管程的流體傳熱性能與殼程流體的傳熱性能的差異如何，如果管程內(nèi)流體的傳熱性能遠小于殼程的流體，則期望通過強化殼程的換熱性能來提高換熱器總體傳熱性能是不會有較明顯的效果的。
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