管壳式换热器流动换热规律探究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1背景及国内外研究现状

1.1.1管壳式换热器相关背景

换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备,广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门中,特别在石油炼制及化学加工装置中占有重要地位。近几十年来,由于对节约能源和环境保护的重视,换热器的需求量不断增大,针对换热器强化传热技术的研究也得到广泛关注。在过程工业中,管壳式换热器使用最多,具有结构简单、加工制造容易、耐压性强、适应能力广等优点,广泛应用于化工生产中,且设计资料和数据较为完善,技术比较成熟。

管壳式换热器的原理和结构:管壳式换热器的主体是间壁式换热器。如果管程和壳程的流体温度出现不同的时候,就会将温度比较高的流体通过管壁.将所包含的热量传输给温度比较低的流体,从而使得温度比较高的流体能够迅速的降温,温度比较低的流体能够进行加热,实现了换热工艺。管壳式换热器的主要结构包含了管箱、壳体、折流板、管板等。

管壳式换热器

板式结构

单弓形或多弓形板换热器

整圆形折流板换热器

螺旋折流板换热器

其他

板杆式结构

折流杆换热器

空心环换热器

其他

自支撑结构

螺旋扁管换热器

螺旋折流片换热器

刺孔膜片式换热器

管壳式换热器的壳体主要为圆筒形,管子主要为直管或者U形管。管壳式换热器的主要分布结构成三角形或者正方形等相关的方式,当管壳式换热器按照三角形方式开始布置的时候。同样口径的壳体内,能够摆放非常多的管子,这些管子能够有效的加强管壳式换热器的换热面积。不过这种摆放管子的方式很难对管子进行清理,并且流体的所产生的阻力非常大,管束中间建立了折流板,通过折流板对壳程流体的目标进行改变,让流体能够对管子进行不停地冲刷,这种方式很大程度上提高了传热的效果,同时还能够为支撑管子提供帮助。其分类方式如下表。

1.1.2国内外研究现状

换热器的强化传热从广义上可以分为主动强化传热技术与被动强化传热技术两大类。主动传热强化需要外部对系统施加动力来实现强化传热的目的,如对流体进行搅拌、施加表面振动、流体振动、静电场、磁场等。

主动强化传热技术比较复杂,需要外部器械进行辅助,并不适用于大部分系统。被动强化传热指不需施加外力,依靠改造传热面、改变流道形状或附设导流原件等措施来改变流体的流动,促使边界层流体发生较大的扰动,以达到强化传热效果。主要通过优化换热器几何结构、改变流体物性等来提高传热速率,不需要外部设备且操作简单,因此更加广泛地被应用于实际工艺中。强化传热技术的发展一般可以划分为5个阶段:第一代为光滑表面阶段,通过人为使表面粗糙化可称为第二代,第三代为插入件扰动阶段,第四代为喷流扰动阶段,第五代为使用旋流器等贴壁流扰动阶段。第四、第五代多为主动强化传热技术,由于主动强化传热技术运用条件较为复杂,目前国内外针对管壳式换热器强化换热的研究主要还是集中于被动强化传热技术。

换热器强化传热的目的是在相同动力消耗条件下,单位时间、单位面积下尽可能增加换热量。通过提高利用效率使其结构更加紧凑,占用空间少,节约原料同时提高生产率。针对管壳式换热器的强化传热主要有以下方式:管程强化传热、壳程强化传热、流体本身物性优化以及复合强化传热等。其中管程强化传热主要是通过改变换热管外形,在换热管表面加工形成凸起对流体进行扰动,从而强化传热。目前主要研究的强化换热管包括波纹管、横纹管、螺旋扁管、缩放管、翅片管等。在管内添加插入物,不断改变传热面形状扰动管内流体,常用的内插件有纽带、间隔纽带、螺旋片、螺旋线等。壳程强化传热可以通过改变换热管外形,在换热管外壁加工翅片形成扩展表面,增加换热面积,提高换热效率,以及通过优化壳程支撑结构来实现壳程强化传热。壳程管束支撑结构如弓形隔板、螺旋隔板等可以通过引导流体进行流动进行强化传热。针对管束支撑结构的研究主要集中在螺旋隔板结构的优化方面。

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