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Lord Fin Tube-Intercambiador de calor con deflectores helicoidales
¿Qué es un intercambiador de calor con deflectores helicoidales?
A menudo existen numerosos problemas de transferencia de calor relacionados con el petróleo, los productos químicos, la energía, la metalurgia, la energía y otros sectores industriales. El intercambiador de calor de carcasa y tubos es el equipo de transferencia de calor más utilizado en la producción industrial actual. En comparación con otros tipos, sus principales ventajas son la gran área de transferencia de calor en el volumen unitario y el buen efecto de transferencia de calor. Combinado con una estructura simple, una amplia gama de materiales necesarios en la fabricación y una mayor flexibilidad operativa, se utiliza cada vez más en los campos de la ingeniería química.
Para aumentar la velocidad del fluido de la carcasa e intensificar el nivel turbulento para mejorar el coeficiente de transferencia de calor de la película de la carcasa, el deflector transversal generalmente se instala en el intercambiador de calor de carcasa y tubos. El más común es el deflector segmentario. El fluido se enrolla en el conjunto de carcasa con deflector segmentario a una velocidad que cambia continuamente en diferentes direcciones, y es fácil de separar, especialmente en el borde del deflector. Debido a la zona muerta de flujo entre los deflectores segmentarios y la carcasa, el fluido sufre movimientos repetidos de corrientes cruzadas en los deflectores, lo que resulta en la reducción de la fuerza impulsora de la transferencia de calor. Para obtener un mayor rendimiento de transferencia de calor, sólo se reduce la distancia entre placas, lo que inevitablemente va acompañado de una mayor resistencia al flujo a costa de un mayor consumo de energía. Por lo tanto, el cambio de forma tradicional del deflector es muy necesario.
Fig. 1 Diagrama de flujo de carcasa de un intercambiador de calor con deflectores segmentarios
El intercambiador de calor con deflectores helicoidales se convierte en una alternativa ideal debido a sus ventajas únicas. Utiliza la placa de respaldo helicoidal continua como soporte del tubo de intercambio de calor para hacer que el medio de la carcasa realice el movimiento inclinado hacia adelante a lo largo del canal en espiral desde la entrada de la carcasa. Dado que la forma tradicional de deflector horizontal se cambia a un medio de deflector helicoidal vertical, el intercambiador de calor con deflectores helicoidales mejora en gran medida su efecto de transferencia de calor al tiempo que reduce la resistencia del lado de la carcasa. Sus características son:
(1) El flujo continuo y suave en espiral del medio en el lado de la carcasa evita la grave pérdida de presión causada por los desconcertantes horizontales con una menor caída de presión.
(2) En comparación con el deflector segmentario, en el estado de la misma caída de presión, puede mejorar significativamente el caudal del medio de la carcasa y, por lo tanto, aumentar el nivel de turbulencia y la capacidad de transferencia de calor del medio.
(3) El movimiento en espiral del medio de la cubierta genera un gradiente de velocidad en la sección transversal radial y forma turbulencia radial a favor de la capa inferior adelgazada de la detención de la superficie de intercambio de calor y el coeficiente de transferencia de calor de la película mejorado.
(4) No hay zona muerta. Al tiempo que mejora el coeficiente de transferencia de calor, la vía deflectora helicoidal vertical reduce la deposición de suciedad, tiene una resistencia térmica estable y permite que el intercambiador de calor funcione en un estado de funcionamiento altamente eficiente.
(5) Gracias a las restricciones más fuertes en el intercambiador de calor que el deflector segmentario, el deflector helicoidal disminuye la vibración del haz de tubos y extiende la vida operativa.
(6) Cuando la carcasa se condensa para el intercambio de calor, el deflector helicoidal puede desempeñar la función de drenaje del líquido condensado, disminuir la cobertura del líquido condensado en las filas inferiores de tubos y, por lo tanto, mejora el efecto de la transferencia de calor.
Según las investigaciones de StehlikP, en comparación con el intercambiador de calor tradicional con deflectores segmentarios, el intercambiador de calor de deflector helicoidal obtiene un coeficiente de transferencia de calor 1,8 veces mayor y una resistencia al flujo un 25% menor en las mismas condiciones. Chen Shixing concluye: para aceite de alta viscosidad, el intercambiador de calor con deflectores helicoidales tiene un coeficiente de transferencia de calor por convección de aproximadamente 1,5 veces en la caída de presión unitaria que el del intercambiador de calor ordinario con deflectores segmentarios; para el agua, aproximadamente 2,4 veces. Song Xiaoping presenta la aplicación de más de diez unidades de intercambiadores de calor con deflectores helicoidales en la refinería y descubre que sus indicadores de rendimiento son mejores que los del intercambiador de calor de deflectores segmentarios original. El intercambiador de calor con deflectores helicoidales mejora enormemente la eficiencia de la transferencia de calor, reduce el área de transferencia de calor y el consumo de metal y, por lo tanto, reduce la inversión en instalaciones de equipos.
Sin embargo, el mecanizado de la superficie en espiral es difícil y la coordinación entre el intercambiador de calor y el deflector es difícil de lograr. Teniendo en cuenta la conveniencia del procesamiento, se adopta una serie de planos sectoriales estándar (conocidos como deflectores helicoidales) en lugar de las conexiones alternativas de superficie curva, para formar una superficie espiral similar en el lado de la carcasa y para hacer que el fluido genere un flujo espiral continuo. Véase la figura 2.
Fig. 2 Disposición del deflector helicoidal en el lado de la carcasa
Para alcanzar la estabilidad del flujo en espiral del medio de la carcasa, se requiere que los deflectores helicoidales tengan un espaciado constante (llamado espaciado de deflectores F), el mismo ángulo de instalación α y, en general, se coloquen en la parte inferior de los ejes superiores de entrada y salida o la parte superior de los ejes inferiores. Véase la figura 3.
Fig. 3 Disposición del deflector helicoidal en los puertos de entrada y salida
Desde su primera aplicación nacional en 1997 en la fábrica de petróleo de Fushun, miles de intercambiadores de calor con deflectores helicoidales se han promocionado rápidamente en los dispositivos químicos y de refinación en más de 20 empresas. Los resultados de la aplicación muestran que el deflector helicoidal en el lado de la carcasa impone el impacto de reducir la caída de presión del fluido en comparación con el deflector segmentario vertical. Pero no es del todo obvio en la eficiencia del intercambiador de calor. Algunos intercambiadores de calor, en particular los de gran diámetro con deflectores helicoidales, son inferiores a los de deflectores segmentarios. A través de muchos experimentos de simulación de carcasas de diferentes diámetros y diferentes ángulos de intercambiadores de calor con deflectores helicoidales, se demuestra que la razón principal es la restricción del procesamiento mecánico y el logro extremadamente difícil de un procesamiento completo de deflectores helicoidales continuos. El deflector helicoidal tradicional se superpone con dos o cuatro paneles y se organiza en una superficie en espiral similar. Los deflectores segmentarios de 360°/x en proyección se colocan en el orden correcto con el eje de la carcasa en ángulo en la unión de extremo a extremo. Las pestañas rectas de los dos deflectores adyacentes se entrelazan en la unión superior y a tope. Es probable que el espacio triangular formado entre dos deflectores adyacentes conduzca al flujo del medio a lo largo de los deflectores, forme la corriente de fuga de cortocircuito y abandone el flujo en espiral.
Fig. 4 Disposición estructural tradicional del deflector helicoidal
La corriente de fuga de cortocircuito disminuye el flujo de un canal ideal. Especialmente en el intercambiador de calor de tubo y carcasa de deflector helicoidal de gran diámetro, debido a que numerosos medios fluyen a lo largo del espacio triangular y el espacio formado por dos deflectores adyacentes, el flujo en espiral del bebedero principal se reduce, el flujo del medio se ralentiza y la eficiencia del calor traslado gravemente afectado. Para garantizar la tasa de eficiencia del intercambio de calor, Dalian Haite Heat Transfer Technology Co., Ltd. desarrolló un nuevo deflector helicoidal anticortocircuito para hacer que el medio en el lado de la carcasa fluya en un patrón de flujo en espiral casi ideal.
Análisis de flujo de fluidos
Sobre la base del deflector segmentario, el nuevo deflector helicoidal anticortocircuito se ensancha con una o dos filas de espaciado de tubos en ambos lados de las bridas rectas, se superpone en las dos bridas rectas adyacentes y luego se penetra con una o dos filas de tubos de intercambio de calor. Los experimentos de simulación de flujo muestran que el cortocircuito aún existe cuando ambos lados de las bridas rectas del deflector segmentario se ensanchan entre 5 y 10 mm más simultáneamente. El medio de la carcasa fluye en un patrón de flujo helicoidal casi ideal y el cortocircuito finaliza cuando se agrega una o dos filas de espaciado de tubos. La disposición estructural del deflector helicoidal anticortocircuito se muestra en la Fig.5.
Fig. 5 Disposición estructural del nuevo deflector helicoidal anticortocircuito
La conexión superpuesta ejerce buenos efectos de guía sobre los medios del banco de tubos, reduciendo el cortocircuito del espacio triangular formado por el cruce de dos bridas rectas adyacentes y asegurando la eficiencia de la transferencia de calor. La penetración de una fila o dos filas de dos tubos de intercambio de calor adyacentes en los dos deflectores segmentarios adyacentes refuerza la rigidez del haz de tubos y evita las tendencias de separación de cuadrantes. La estructura deflectora helicoidal en la parte superpuesta tiene un buen efecto antivibración.
En una palabra, el intercambiador de calor con deflectores helicoidales demuestra sus ventajas en la propiedad de combinación, siempre que esté correctamente diseñado. Sin embargo, en comparación con el tipo de deflector segmentario tradicional, aún quedan muchas más investigaciones por hacer, por ejemplo: los estudios sobre intercambiadores de calor de carcasa y tubos se centran principalmente en el deflector segmentario hasta ahora, y el estándar TEMA también está dirigido contra él. . En cuanto al diseño estandarizado del deflector helicoidal, es necesario realizar análisis y estudios detallados sobre el flujo y el mecanismo de transferencia de calor. Además de los factores que afectan al deflector segmentario tradicional, hay que considerar factores geométricos (patrón de disposición, ángulo de espiral, paso de rosca), casos de cambio de fase y propiedades físicas de diferentes medios. Junto con el desarrollo constante de tecnologías informáticas y los estudios en profundidad del mecanismo, se cree que el intercambiador de calor de deflector helicoidal tiene aplicaciones más amplias.
Intercambiador de calor con deflectores helicoidales
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