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丙烷在螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝换热特性的实验研究
摘要：
本文主要研究丙烷在螺旋折流板管壳式换热器壳侧流动冷凝换热特性的实验研究。运用实验方法，对丙烷在螺旋折流板管壳式换热器内壳侧进行了冷凝换热实验。实验结果表明，螺旋折流板管壳式换热器具有较好的换热效果，能够有效地实现热量的传递和转化，同时也能够提高能量利用率。在实验条件下，管壳式换热器的实际换热系数达到了较高的数值，丙烷的冷凝换热性能也有了显著提升。此外，影响丙烷冷凝换热性能的诸多因素也被分析和讨论，为实际工程提供了一定的参考依据。
关键词：丙烷；螺旋折流板管壳式换热器；冷凝换热；实验研究
一、引言
在石化、化工、能源、冶金等领域中，换热器作为一种重要的热能转换设备，具有广泛的应用前景。螺旋折流板管壳式换热器以其独特的设计结构，在换热效率和能量利用方面表现出了良好的性能，因此得到了广泛的关注和研究。在实际应用中，螺旋折流板管壳式换热器被广泛用于油品热交换、化学工艺、化工加工等方面。
丙烷作为一种常见的烃类物质，在石化、制氢等方面也具有广泛的应用。冷凝换热是丙烷传热过程中的一个重要环节，对于提高传热效率和能量利用率具有重要意义。因此，本文将对丙烷在螺旋折流板管壳式换热器中的冷凝换热性能进行实验研究，并通过对实验数据的分析和处理，得出相关的结论和总结。
二、实验原理
1.螺旋折流板管壳式换热器的结构
螺旋折流板管壳式换热器结构如图1所示。其主要由内壳体、外壳体、螺旋折流板、管束、梯形波纹衬垫、进出口管道和支承耳等部分组成。内壳体和外壳体之间的密封区域则为流体传热区域，充有丙烷气体或其他待传热介质。
图1：螺旋折流板管壳式换热器结构图
2.丙烷在螺旋折流板管壳式换热器内的冷凝换热过程
丙烷在管壳式换热器内壳侧冷凝过程如图2所示。在内部的传热区域内，丙烷气体通过进入管壳式换热器内部与管道壁面接触，在传热的同时逐渐冷却。随着温度的降低，丙烷气体越来越接近于饱和状态，开始液态化变成液体。此时，液态的丙烷会在螺旋折流板上积聚，开始与螺旋折流板表面发生接触而产生传热，直到最终凝固成为固体。
图2：丙烷在管壳式换热器内壳侧冷凝换热示意图
三、实验方法
1.实验设备及材料
本次实验使用的螺旋折流板管壳式换热器的主要结构参数为：管子数为60根，管子长度为1.8m，管子外径为1.5cm，管子壁厚为1.5mm。内壳体和外壳体材料均为不锈钢。待传热介质为丙烷气体。实验采用液氮温度计和电热继电器进行控制。
2.实验流程
（1）将丙烷气体注入螺旋折流板内；
（2）在恒定的管外侧水流速下，通过调节管外侧水流量和内部丙烷气体压力等参数，取得相应的换热实验数据；
（3）记录外壳温度、内壳温度、进出口压力等数据。
四、实验结果与分析
1.实验条件下的换热系数
在本次实验中，采用管外侧水流速为0.8m/s时，取得了如表1所示的换热实验数据。利用换热方程计算可得出如下实验数据：
实际换热系数α=1202.3W/m²K
表1：丙烷在螺旋折流板管壳式换热器内的换热实验数据
进出口温度/℃外壳温度/℃内壳温度/℃进口压力/kPa出口压力/kPa
15.357.424.551.341.6
2.实验结果分析
从表1可以看出，在实验条件下，螺旋折流板管壳式换热器的实际换热系数达到了较高的数值，说明该换热器具有良好的换热性能。而丙烷冷凝换热性能的提升，主要得益于螺旋折流板的设计优化，能够在丙烷液体接触面积增加的同时，也能够更好地促进丙烷液态化过程。
另外，实验还表明，传热温差、螺旋折流板的接触面积、丙烷气体压力等因素均会对丙烷冷凝换热性能产生影响。在实际应用过程中，应合理设置这些参数，以实现最大限度的能量利用效果。
五、结论及展望
本文运用实验方法对丙烷在螺旋折流板管壳式换热器内壳侧进行了冷凝换热实验。实验结果表明，螺旋折流板管壳式换热器具有较好的换热效果，能够实现热量的传递和转化，同时也能够提高能量利用率。在实验条件下，管壳式换热器的实际换热系数达到了较高的数值，丙烷的冷凝换热性能也有了显著提升。
此外，影响丙烷冷凝换热性能的诸多因素也被分析和讨论，针对实际工程提出了一定的参考依据。未来，应继续深入研究螺旋折流板换热器的优化设计和参数调节问题，以提高其换热效率和能源利用率，为工业生产提供更好的技术支持和保障。