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Lord Fin Rohrwärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen
Was ist ein Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen?
In der Erdöl-, Chemie-, Energie-, Metallurgie- und Energiebranche sowie in anderen Industriezweigen treten häufig zahlreiche Wärmeübertragungsprobleme auf. Der Rohrbündelwärmetauscher ist das in der heutigen industriellen Produktion am häufigsten verwendete Wärmeübertragungsgerät. Im Vergleich zu anderen Typen sind seine Hauptvorteile die große Wärmeübertragungsfläche im Einheitsvolumen und die gute Wärmeübertragungswirkung. In Kombination mit einer einfachen Struktur, einer großen Auswahl an für die Herstellung benötigten Materialien und einer größeren Betriebsflexibilität wird er in der chemischen Verfahrenstechnik immer häufiger eingesetzt.
Um die Geschwindigkeit der Mantelflüssigkeit zu erhöhen und den Turbulenzgrad zu steigern, um den Mantelfilmkoeffizienten der Wärmeübertragung zu verbessern, wird in den Mantel- und Rohrbündelwärmetauschern üblicherweise eine Querleitwand eingebaut. Die gebräuchlichste ist eine segmentierte Leitwand. Die Flüssigkeit windet sich in dem mit segmentierten Leitwänden ausgestatteten Mantel mit kontinuierlich wechselnder Geschwindigkeit in unterschiedliche Richtungen und löst sich leicht, insbesondere an der Leitwandkante. Aufgrund der strömungstoten Zone zwischen segmentierten Leitwänden und dem Mantel erfährt die Flüssigkeit in den Leitwänden wiederholte Querströmungen, was zu einer Verringerung der Antriebskraft der Wärmeübertragung führt. Um eine höhere Wärmeübertragungsleistung zu erreichen, wird lediglich der Plattenabstand verringert, was unvermeidlich mit einem höheren Strömungswiderstand auf Kosten eines höheren Energieverbrauchs einhergeht. Deshalb ist die herkömmliche Formänderung der Leitwände dringend erforderlich.
Abb. 1 Das Mantelströmungsdiagramm eines Wärmetauschers mit segmentierten Leitblechen
Der Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen ist aufgrund seiner einzigartigen Vorteile eine ideale Alternative. Er verwendet eine durchgehende spiralförmige Trägerplatte zur Unterstützung des Wärmeaustauschrohrs, damit das Mantelmedium vom Manteleingang aus eine schräge Vorwärtsbewegung entlang des Spiralkanals ausführt. Da die traditionelle horizontale Leitblechmethode durch vertikale spiralförmige Leitbleche ersetzt wird, verbessert der Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen seine Wärmeübertragungswirkung erheblich und verringert gleichzeitig den Widerstand der Mantelseite. Seine Eigenschaften sind:
(1) Durch die kontinuierliche, gleichmäßige Spiralströmung des Mediums auf der Mantelseite wird der durch horizontale Leitbleche verursachte erhebliche Druckverlust bei geringerem Druckabfall vermieden.
(2) Im Vergleich zur segmentierten Leitwand kann bei gleichem Druckabfall die Strömungsrate des Mantelmediums deutlich verbessert und dadurch der Turbulenzgrad und die Wärmeübertragungsfähigkeit des Mediums erhöht werden.
(3) Die spiralförmige Bewegung des Schalenmediums erzeugt einen Geschwindigkeitsgradienten im radialen Querschnitt und bildet radiale Turbulenzen zugunsten der verdünnten Bodenschicht der Wärmeaustauschoberfläche und des verbesserten Film-Wärmeübergangskoeffizienten.
(4) Es gibt keine Totzone. Während der Wärmeübergangskoeffizient verbessert wird, verringert die vertikale spiralförmige Leitbahn die Schmutzablagerung, weist einen stabilen Wärmewiderstand auf und ermöglicht dem Wärmetauscher einen hocheffizienten Betriebszustand.
(5) Durch die im Vergleich zum Segmentleitblech stärkere Einwirkung auf den Wärmetauscher verringert das Wendelleitblech die Rohrbündelschwingung und verlängert die Lebensdauer.
(6) Wenn die Hülle zum Wärmeaustausch kondensiert, kann die spiralförmige Leitfläche die Rolle der Kondensatableitung übernehmen, die Bedeckung der unteren Rohrreihen mit Kondensat verringern und dadurch den Wärmeübertragungseffekt verbessern.
Laut den Untersuchungen von StehlikP erreicht ein Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmetauscher mit segmentierten Leitblechen unter denselben Bedingungen einen 1,8-mal höheren Wärmeübergangskoeffizienten und einen um 25 % niedrigeren Strömungswiderstand. Chen Shixing zieht daraus das Fazit: Bei hochviskosem Öl hat ein Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen einen etwa 1,5-mal höheren Konvektionswärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu einem gewöhnlichen Wärmetauscher mit segmentierten Leitblechen; bei Wasser ist er etwa 2,4-mal höher. Song Xiaoping stellt den Einsatz von über zehn Einheiten von Wärmetauschern mit spiralförmigen Leitblechen in einer Raffinerie vor und stellt fest, dass diese bessere Leistungsindikatoren aufweisen als die des ursprünglichen Wärmetauschers mit segmentierten Leitblechen. Der Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen verbessert die Effizienz der Wärmeübertragung erheblich, verringert die Wärmeübertragungsfläche und den Metallverbrauch und reduziert somit die Investitionen in die Installation von Geräten.
Die Bearbeitung der Spiraloberfläche ist jedoch schwierig und die Koordination zwischen Wärmetauscher und Leitblech ist schwer zu erreichen. Aus Gründen der Verarbeitungsfreundlichkeit werden anstelle der abwechselnden Verbindungen gekrümmter Oberflächen eine Reihe standardmäßiger Sektorebenen (bekannt als spiralförmige Leitbleche) verwendet, um eine ähnliche Spiraloberfläche auf der Mantelseite zu bilden und die Flüssigkeit zu einer kontinuierlichen Spiralströmung zu bringen. Siehe Abb. 2.
Abb. 2 Spiralförmige Leitblechanordnung in der Mantelseite
Um die spiralförmige Strömungsstabilität des Mantelmediums zu erreichen, müssen die spiralförmigen Leitbleche den gleichen Abstand (Leitblechabstand F genannt) und den gleichen Einbauwinkel α aufweisen und im Allgemeinen im unteren Teil der oberen Ein- und Austrittsachsen oder im oberen Teil der unteren Achsen platziert sein. Siehe Abb. 3.
Abb. 3 Spiralförmige Leitblechanordnung in den Eingangs- und Ausgangsöffnungen
Seit der ersten Inlandsanwendung im Jahr 1997 in der Fushun Petroleum Factory wurden Tausende von Wärmetauschern mit spiralförmigen Leitblechen schnell in Chemie- und Raffinerieanlagen von über 20 Unternehmen eingesetzt. Anwendungsergebnisse zeigen, dass das spiralförmige Leitblech auf der Mantelseite den Flüssigkeitsdruckabfall im Vergleich zum vertikalen segmentalen Leitblech verringert. Dies wirkt sich jedoch nicht ganz offensichtlich auf die Effizienz des Wärmetauschers aus. Einige Wärmetauscher, insbesondere die Wärmetauscher mit großem Durchmesser und spiralförmigen Leitblechen, sind denen mit segmentalen Leitblechen unterlegen. Zahlreiche Simulationsexperimente mit Manteldurchmessern unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen Winkeln von Wärmetauschern mit spiralförmigen Leitblechen haben gezeigt, dass die Hauptgründe dafür die Beschränkungen bei der mechanischen Verarbeitung und die äußerst schwierige Erzielung einer vollständig durchgängigen spiralförmigen Leitblechverarbeitung sind. Herkömmliche spiralförmige Leitbleche werden von zwei oder vier Platten überlappt und bilden eine ähnliche Spiraloberfläche. Die Segmentleitbleche mit einer Projektion von 360°/x sind in der richtigen Reihenfolge mit der Schalenachse in der End-zu-End-Bindung in einem Winkel angeordnet. Die geraden Flansche der beiden benachbarten Leitbleche verflechten sich an der Oberseite und der Stoßverbindung. Der zwischen zwei benachbarten Leitblechen gebildete dreieckige Raum führt wahrscheinlich dazu, dass das Medium entlang der Leitbleche fließt, den Kurzschlussleckstrom bildet und den Spiralfluss verlässt.
Abb. 4 Traditioneller struktureller Aufbau einer spiralförmigen Schallwand
Kurzschlussleckströme verringern den Durchfluss eines idealen Kanals. Insbesondere bei Rohrbündelwärmetauschern mit spiralförmigen Leitblechen mit großem Durchmesser wird der Spiralfluss der Hauptansaugleitung verringert, der Medienfluss verlangsamt und die Effizienz der Wärmeübertragung stark beeinträchtigt, da zahlreiche Medien entlang des Dreiecksraums und des Zwischenraums fließen, der durch zwei benachbarte Leitbleche gebildet wird. Um die Effizienz der Wärmeübertragung sicherzustellen, hat Dalian Haite Heat Transfer Technology Co., Ltd. ein neues spiralförmiges Leitblech gegen Kurzschlüsse entwickelt, damit das Medium auf der Mantelseite in einem nahezu idealen Spiralflussmuster durchströmt.
Fluidströmungsanalyse
Auf der Grundlage der Segmentleitwand wird die neue Kurzschlussschutz-Spiralleitwand mit einer oder zwei Rohrreihen auf beiden Seiten der geraden Flansche erweitert, überlappt die beiden benachbarten geraden Flansche und wird dann von einer oder zwei Reihen Wärmeaustauschrohren durchdrungen. Die Strömungssimulationsexperimente zeigen, dass der Kurzschluss immer noch besteht, wenn beide Seiten der geraden Flansche der Segmentleitwand gleichzeitig um 5 bis 10 mm erweitert werden. Das Mantelmedium fließt in einem nahezu idealen Spiralströmungsmuster hindurch und der Kurzschluss wird beendet, wenn eine oder zwei Rohrreihen erweitert werden. Die strukturelle Anordnung der Kurzschlussschutz-Spiralleitwand ist in Abb. 5 dargestellt.
Abb. 5 Strukturelle Anordnung der neuen Kurzschlussschutz-Spiralwand
Die überlappende Verbindung übt eine gute Führungswirkung auf die Medien des Rohrbündels aus, verringert Kurzschlüsse im Dreiecksraum, der durch die Kreuzung zweier benachbarter gerader Flansche entsteht, und stellt die Wärmeübertragungseffizienz sicher. Das Eindringen einer oder zweier Reihen zweier benachbarter Wärmeaustauschrohre in die benachbarten zwei Segmentleitbleche verstärkt die Rohrbündelsteifigkeit und vermeidet die Tendenz zur Quadrantentrennung. Die spiralförmige Leitblechstruktur im überlappenden Teil hat eine gute Antivibrationswirkung.
Kurz gesagt, der Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen beweist seine Vorteile in der Kombinationseigenschaft, solange er richtig konstruiert ist. Im Vergleich zum herkömmlichen Segmentleitblechtyp besteht jedoch noch viel Forschungsbedarf. Beispielsweise konzentrieren sich die Studien zu Rohrbündelwärmetauschern bisher hauptsächlich auf das Segmentleitblech, und der TEMA-Standard ist auch dagegen gerichtet. Im Hinblick auf das standardisierte Design des spiralförmigen Leitblechs müssen detaillierte Analysen und Studien zum Strömungs- und Wärmeübertragungsmechanismus durchgeführt werden. Neben den Faktoren, die das herkömmliche Segmentleitblech beeinflussen, müssen geometrische Faktoren (Layoutmuster, Spiralwinkel, Gewindesteigung), Phasenwechselfälle und physikalische Eigenschaften verschiedener Medien berücksichtigt werden. Zusammen mit der ständigen Weiterentwicklung der Computertechnologie und eingehenden Studien des Mechanismus wird angenommen, dass der Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen breitere Anwendungsmöglichkeiten hat.
Wärmetauscher mit spiralförmigen Leitblechen
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