三分螺旋折流板换热器壳侧换热系数的关联式
三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能
三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能董聪;陈亚平;吴嘉峰;操瑞兵;盛艳军;倪明龙【摘要】对倾斜角为10°、15°和20°的扇形折流板,倾斜角为15°的椭圆折流板和倾斜角为20°的轴向搭接扇形折流板三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器的传热特性和压降性能进行了测试试验研究,其中螺旋折流板全部采用分区布管结构,有48根管子,而弓形折流板换热器有49根管子.试验数据分析采用轴向Reynolds数Rez,o作为自变量,壳侧Nusselt数Nu.、轴向Euler数Euz,o等参数作为因变量,并采用Nu./Euz,o量纲1组合数作为综合性能指标.在试验范围内,20°s 方案的综合性能指标最高,比弓形折流板换热器方案平均提高69.8％；倾斜角最小的10°s方案的综合性能低于弓形折流板换热器方案；轴向搭接折流板换热器方案的综合性能低于相同倾斜角外圈连接折流板换热器方案,而椭圆折流板方案的综合性能低于相同倾斜角的扇形折流板方案.%Experimental study was conducted in trisection helical baffle heat exchangers with three sector baffle schemes of tilt angles 10°, 15° and 20°,an ellipse baffle scheme of tilt angle 15°, and an axial overlap sector baffle scheme of tilt angle 20°, in contrast to a segmental baffle heat exchanger. Each helix heat exchanger has 48 tubes with layout of one third division of shell cylinder for each baffle, while the segmental baffle heat exchanger has 49 tubes. The data of the shell side, Nusselt number Nuo , axial Euler number Euz,o, and comprehensive performance indicator Nuo/Euz,o are presented versus the shell side axial Reynolds number Rex,o. The results show that the heat exchanger with the scheme of periphery connected sector baffles with tilt angle of 20° has the best performance, whose average comprehensive performance indicatorNuo/Euz,o is 69. 8% higher than that of segmental baffle heat exchanger, while the comprehensive performance indicator of the scheme with tilt angle 10° is lower than that of segmental baffle scheme. With the same tilt angle, the performance with the periphery connected connection baffle scheme is better than that with the axial overlap baffle scheme, and the performance with the sector baffle scheme is better than that with the ellipse baffle scheme.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)003【总页数】7页(P721-727)【关键词】螺旋折流板换热器;三分螺旋折流板;倾斜角;综合性能【作者】董聪;陈亚平;吴嘉峰;操瑞兵;盛艳军;倪明龙【作者单位】东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK124螺旋折流板换热器由Lutcha等［1］发明，是将换热器壳体圆柱面分为4个象限，在每个象限中都倾斜布置1／4扇形折流板，头尾相接组成壳侧拟螺旋折流通道，具有消除壳程流动死区、降低壳程流动压力损失、有效抑制污垢形成以及抑制管束的振动破坏等特点，近年来受到广泛关注。
不同螺旋角螺旋折流板换热器传热性能对比实验_王欢
( 1) 螺旋折流板换热器的壳程传热系数及壳程 压力降的大小与折流板的螺旋角和介质流体流量的 大小有直接关系。在相同介质流体流 量下, 5 种螺 旋折流板换热器的换热性能随螺旋角增加而降低。 螺旋折流板换热器压力降的变化则刚好相反。
( 2) 在实验条件下, 单位压降换热系数以 30b螺 旋角折流板换热器的数值最大。
流量下, 螺旋角越小的螺旋折流板换热器压力降越 大, 即壳程流动阻力越大。 313 单位压降下的总传热系数
在本实验条件下, 随着螺旋角的增大, 螺旋折流 板换热器壳程阻 力增大, 同时导致传热系 数降低。 因此在设计螺旋折流板换热器时, 应综合考虑压降 和换热效果两方面的影响因素, 以求得最佳值。不 同螺旋角度单位压力降下的壳程总传热系数之间的 关系, 见图 3。
第 27 卷, 总第 158 期 2009 年 11 月, 第 6 期
5 节 能 技 术6 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
Vol127, Sum1No1158 Nov12009, No16
不同螺旋角螺旋折流板换热器 传热性能对比实验
王 欢, 张国福, 宋天民, 张志超, 冯天伟 ( 辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001)
关键词: 螺旋角; 螺旋折流板; 传热系数; 换热器 中图分类号: TQ02113; TQ05115 文献标识码: A 文章编号: 1002- 6339 ( 2009) 06- 0519- 03
Comparison Experimental Study of Heat Transfer Performance of Heat Exchangers with Different Helical Baffles
doe $ $ 为壳程的当量直径, 其计算公式为
三分螺旋折流板换热器
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相邻折流板周向少量重叠
相邻2 块折流板要在外圈首尾相接, 特别推荐将折 流板直边稍稍放宽, 使相邻2 块板在首尾相接时周 向有少量重叠。这一方面是由于通常正三角形排 列布置管孔的方案中相邻两列管子之间的间距较 小, 这样可以留出钻孔边。另一方面, 少量重叠也 有利于减小在2 块相邻的折流板处的漏流。相邻2 块折流板连接处有三角区, 称为V 型缺口, 一般认 为这是无奈的负面结果, 其实此缺口不一定是坏 事。根据流动分析, 壳侧流体沿螺旋折流板呈总 体螺旋流动时, 在离心力作用下流体将向外围流 动, 中心部分流体将变少, 尽管随后产生的径向压 差以及外圈路程远、阻力大的状况使流体产生向 心的二次流动可部分平衡这样的离心流动。相邻 折流板首尾在外圈连接的方案中, 壳侧流体通过 相邻两组折流板交接处的V 形缺口时的流动方向 是使部分流体又返回上一层, 客观上可以增大中 心部分的流速, 起到增强中心区域传热的作用。
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适合正三角形布管管束的方案
正方形排 列管束
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对于正 三角形排列 管束怎么办？
正三角形 排列管束
10Leabharlann 相关类比2015-7-7
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东南大学陈亚平教授提出适合正三角形排列布管的三分螺旋折流板方案
a. 1/3 分区布管;
b. 中心无管位;
c. 中心布管周向重叠
三分螺旋折流板的对称方案投影图
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弓形折流板换热器
传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板换热器，由于存在阻流与压 降大、有流动死区、流动阻力较大、易结垢、传热系数较低、传热的平均 温差小、以及在缺口处管束支撑跨距较大，容易诱导管束振动破坏等缺点， 近年来逐渐被螺旋折流板所取代。
螺旋板换热器计算
原油/热媒油换热器计算
螺旋板板宽H=1m螺旋板圈数n=46.5
换热面积A=80m2螺旋板长度L=40.0m
螺旋中心管直径d=0.4m螺旋体外径D= 1.6m
钢板厚度d=0.004m冷流热流
冷流侧热流侧747000507100kg/h 通道间距b=0.01m通道间距b=0.008m总热负荷16668kW 介质导热系数l=0.2W/(m.o C.)介质导热系数l=0.114W/(m.o C)分流数8
介质粘度m=120mPa.s介质粘度m=0.88mPa.s单台流量9337563387.5
介质流量G=20000kg/h质量流速G=13749kg/h单台负荷2083.5kW
进口温度t1=50o C进口温度t1=120o C
出口温度t2=70o C出口温度t2=80o C
介质密度r=960kg/m3介质密度r=900kg/m3
介质比热Cp= 2.092kJ/(kg.o C)介质比热Cp= 2.3012kJ/(kg.o C)
污垢热阻r1=0.0005(m.o C)/W污垢热阻r2=0.0002(m.o C)/W
流速 V=0.58m/s流速 V=0.53m/s
膜传热系数a1=160.12W/(m2.o C)膜传热系数a1=551.42168W/(m2.o C)
冷流侧压降D P=0.06MPa(范宁)热流侧压降D P=0.03MPa(范宁)
0.05MPa(大连)0.02MPa(大连)232.444444
总传热系数K=114.172W/(m2.o C)平均温差D t=39.2o C
换热器负荷Q=235kW
计算换热面积A=53m2
实际需要换热面积A＝421m2采用四路并联。
螺旋折流板热交换器传热性能关系式
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｈ ｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ａ ｆ ｆ ｌ ｅ ｓ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ；ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； Ｆ ＬＵＥＮＴ ；ＯＲＩ —
Ｈｅ ａ ｔ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｆｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｈｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ Ｂａ ｆ ｆ ｌ ｅ ｓ Ｈｅ ａ ｔ Ｅｘ ｃ ｈ ａ ｎｇ ｅ ｒ ｓ
ＬＩ Ｕ Ｈｏ ｎ ｇ － ｙ ｕ ，Ｗ ＡＮＧ Ｔａ ｏ ，ＱＩ ＡＮ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｗ ＡＮＧ Ｙａ ｎ — ｙ ｕ ｎ
第 ４ ２卷
第 ５期
石
油
化
工
设
备
２ ０ １ ３年 ９月 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ０ — ７ ４ ６ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — ０ ０ ３ ８ — ０ ４
Ｐ ＥＴＲＯ— ＣＨＥＭ Ｉ ＣＡＬ ＥＱＵＩ Ｐ ＭＥ ＮＴ
Ｖｏ１ ．４ ２ Ｎｏ ．５ Ｓｅ ｐｔ ． ２０ １３
低 成本 。
关 键 词 ： 螺旋折流板热交换器 ；传热准数关系式 ；Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ； Ｏ Ｒ Ｉ Ｇ Ｉ Ｎ ；流动阻力关系式 中 图 分 类 号 ：ＴＥ ９ ６ ５ ；ＴＱ ０ ５ １ ． ５ ０ １ 文献标 志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ７ ４ ６ ６ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ １ ０
螺旋 折 流 板 热 交换 器 传 热 性 能关 系式
周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能
热 器 的 试 验 结 果 ，表 明试 验 范 围 内 的最 佳 方 案 是 倾 斜 角 ２ 。 案 ，其 平 均 壳 侧 传 热 系 数 、压 降 和 综 合 指 标 （ 。 Ｏ方 ｈ／
Ａ 。 与 弓 形 折 流板 换 热 器 的数 值 之 比分 别 为 １１ ２ ． ６ ｐ） ． ２ 、０ ５ ６和 ２０ ５ ．３ 。 关 键 词 ：螺 旋 折 流 板换 热器 ；周 向重 叠 ；三 分 螺 旋 折 流 板 ；逆 向漏 流 ；倾 斜 角
ａ ｏｄ ｔ ｅｓ ｏｔｕ ｒ ｎ ｕａ ｏ ｅ ｆａｊｃｎ ａｆ ｓ Ｉ ｉ ｔ ｅｒｗ ｆｔ ｂ ｓａ ｈ ｕ ｃｉｎ ｔｉｎ ｌ ｏ ｄａｅ ｔ ｖ ｉ ｈ ｈ ｒｃ ｔｉ ｔｉ ｇ ｌｒｚｎ ｓｏ ｄａｅ ｔｂ ｆ ｅ． ｔ ｓ ｈ ｏ ｏ ｕ ｅ ｔｔ ｅｊ ｎ ｔ ｒ ｇｅ ｆａｊｃｎ ｎ ａ ｌ ｏ ａ
ＤＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓｎ ０ ３ — １ ７ ２ １ ． ５ ０ ５ ：１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ４ ８１ ５ ． ０ ２ ０ ． ０
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ Ｋ １４
文 献标 志码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ３ — １５ （０ ２ ０ — １６ —０ ４８ １７ ２１） ５ ３０ ７
第６卷 ３
第 ５期
化
工 学
报
Ｖｏ． Ｎ Ｏ １ ６３ ．５
Ｍａ ２ ２ ｙ ｏ ｒ ａ
周 向 重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 壳侧 传 热 性 能
孙 海涛 ， 陈亚平 ，吴嘉 峰
（ 南 大 学 能 源 与 环 境 学 院 ，江 苏 南 京 ２０ ９ ） 东 １ ０ ６
摘 要 ：探 析 了周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 高 效 强 化 传 热 性 能 的 主 要 机 理 ，周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 除 了 具备 螺旋 折 流 板 换 热 器 的一 般 特 点 外 ，还 同 时 具 有 适合 正 三 角形 布管 方 案 和 防 相 邻 折 流 板 之 间 短 路 的功 能 ； 指 出 周 向 重 叠 方案 相邻 折 流 板 连 接 处 三 角 区 内 的 一 排 管 束 可 以 有 效 抑 制 因 上 下 游 通 道 的压 差 引 起 的逆 向 泄 漏 ； 介 绍 了倾 斜 角 为 ２。 ４、２ 。 ３ 。 ｏ 、２ 。 ８和 ２ 的单 头 螺 旋 、３。 头螺 旋 周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 和 弓 形 折 流 板 换 ２双
三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热性能研究中期报告
三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热性能研究中
期报告
中期报告主要包括以下几个方面：
1.研究背景和目标：
本次研究的背景是针对传统换热器的一些不足，如传热效率低、泄
漏等问题，通过设计新型换热器来提高传热效率和安全性。
本次研究的
主要目标是探究新型三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热性能，为其
优化设计提供理论依据。
2.研究方法和过程：
本次研究采用数值模拟分析和实验验证相结合的方法，先通过计算
流体力学（CFD）软件进行三维流场模拟分析，探究壳侧流动特性和传热性能，再设计实验方案进行实物试验，验证数值模拟结果的可靠性。
3.模型和参数设置：
采用三分螺旋折流板换热器作为研究对象，将壳侧作为研究区域。
CFD模拟中，设置流体入口速度和温度、壳侧流量、水平旋转角度等参数；实验中，设置壳侧进口流量和温度、折流板倾角等参数。
4.预期结果和意义：
预期结果是探究三分螺旋折流板换热器的壳侧流动特性和传热性能，并进一步优化设计，达到提高传热效率和安全性的目的。
其意义在于为
新型换热器的设计和应用提供理论依据，促进相关产业的发展和应用。
5.工作进展和计划：
目前已经完成了CFD模拟分析的预处理工作，并对模拟结果进行了
初步分析；实验方案已经设计并开始准备实验。
下一步工作是继续进行
CFD模拟分析和实验验证，并对结果进行深入分析和研究，完善研究成果并撰写结题报告。
周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能
周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能孙海涛;陈亚平;吴嘉峰【摘要】探析了周向重叠三分螺旋折流板换热器高效强化传热性能的主要机理,周向重叠三分螺旋折流板换热器除了具备螺旋折流板换热器的一般特点外,还同时具有适合正三角形布管方案和防相邻折流板之间短路的功能；指出周向重叠方案相邻折流板连接处三角区内的一排管束可以有效抑制因上下游通道的压差引起的逆向泄漏；介绍了倾斜角为20°、24°、28°和32°的单头螺旋、32°双头螺旋周向重叠三分螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器的试验结果,表明试验范围内的最佳方案是倾斜角20°方案,其平均壳侧传热系数、压降和综合指标(h0/△p0)与弓形折流板换热器的数值之比分别为1.122、0.566和2.035.%The main mechanism of efficient performance of heat transfer enhancement in circumferential overlap trisection helical baffle heat exchangers is investigated. The heat exchanger possesses not only the general characters of helical baffle heat exchangers but also the features that are suitable for equilateral triangles layout of tubes and avoid the shortcut in triangular zones of adjacent baffles. It is the row of tubes at the junction triangle of adjacent baffles that effectively dampers the reverse leakage driven by differential pressure between upstream and downstream chambers, which makes this type of helix heat exchangers even more efficient than the others. The test results for heat transfer performance are presented for circumferential overlap trisection helical baffle heat exchangers with single thread schemes of baffle tilt angles of 20°, 24°, 28°, 32°, and dual thread scheme of baffle tilt angle 32°, in contrast to a segmental baffle heat exchanger. The resultsshow that the optimum scheme within the testing scope is the one with baffle tilt angle of 20°, and the ratios of the mean values of shell side heat transfer coefficient, pressure drop, and comprehensive index (ho/Δpo) of the helical scheme with baffle tilt angl e of 20° over those of the segmental baffle scheme are 1. 122, 0. 566 and 2. 035 respectively. The dual thread scheme of baffle tilt angle 32° has higher heat transfer coefficient, pressure drop and the comprehensive index (ho/Δpo) than the single thread o ne with same tilt angle.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)005【总页数】7页(P1360-1366)【关键词】螺旋折流板换热器;周向重叠;三分螺旋折流板;逆向漏流;倾斜角【作者】孙海涛;陈亚平;吴嘉峰【作者单位】东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源与环境学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK124Lutcha等［1］发明的1／4螺旋折流板换热器方案，用倾斜扇形平板相接形成拟螺旋通道，可克服常用的弓形折流板管壳式换热器方案存在的流动死区、流动阻力较大、传热系数较低以及在缺口处管束支撑跨距较大，容易诱导管束振动破坏、容易结垢等缺点，受到了国内外一些学者的关注［2－17］。
不同螺旋角螺旋折流板换热器壳侧传热性能研究
２０ ０ ６年 ８月
文 章 编 号 ：０ ７２ ５ （０ ６ ０—０ ５０ １０ —８ ３ ２０ ）４０ ６ —４
不 同螺 旋 角 螺 旋 折 流 板 换 热 器 壳 侧 传 热 性 能 研 究
孙 洪 涛
（ 中国石油天然气股份公司 前郭石化分公司 ， 吉林 松原 １８ ０ ） ３ ０ ８
维普资讯
第２ ３卷
第 ４期
吉 林 化 ｒ 学 院 学 报 ＝
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ＶＯ ． ３ ＮＯ ４ Ｉ２ ． Ａｕ ２ ０ ｇ． ０ ６
型折 流 板 换 热 器 ， 且 随 着 螺 旋 角 的增 大 而 增 而 大 ， 得 出 ４ ／ ８ 并 ０７ １０为 最 佳 螺 旋 角 ， 于 ４ ／ １ 大 Ｏ７ 【
热器是一种 传统 的管壳 式换热 器 ， 弓型折 流 但 板换 热器的这种结 构存 在着壳侧流体流动方 向 改变频 繁 ， 程压 降较 大 ， 出现 流动死 区 、 沿 易 旁
螺旋折 流板 换热 器 的设 计指 导思想 是改 变传 统 弓形折 流板 的 Ｚ形 流 动 方式 ， 法 将 折 流板 设 设
计成与管束有一个倾斜角度 ， 布置成近似的螺旋
ｃｎｋ 对于有无 中心管 的相同角度和结构（ ａｓｖ 壳体
内径 与 中心 管 外径 之 比为 ５ ３ 的 螺 旋 折流 板 换 ．） 热 器 进 行 了 试 验 ． 究 结 果 表 明 ： 相 同 的 Ｒ 研 在 ｅ
收稿 日期 ：０ ６—０ ２０ ７—１ ２ 作者简介 ： 孙洪涛（ ９ ２ ， ， １７ 一）男 吉林松原人 ， 中国石油天然气股 份公 司前郭石化分 公司工程 师 ， 在读 硕士， 主要从事 机械工程方面的研究 ．
螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展
螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展管壳式换热器由于具有应用范围广、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点而在石油、化工、炼油、核能利用等领域占据着重要地位 . 由于壳侧流体流动方向改变频繁 ,且存在漏流等现象 ,因此壳侧流动与换热是这种换热器的瓶颈所在. 弓型折流板换热器是最普遍应用的一种传统管壳式换热器 ,但它的弊端在于 : 沿程压降较大 ; 易出现流动死区、旁流和漏流 ,且容易积垢;较高的质量流速易诱导换热管的振动 ,缩短了寿命.弓型折流板换热器壳侧流体流动示意图如图 1 所示 ,针对其壳侧流动的缺点 ,人们提出了螺旋折流板换热器的概念(图 2) ,并于 20 世纪 90 年代初由 ABB 公司开发出系列产品 ,在实际应用中取得了良好的效果 ,尤其对于高粘度流体效果更加突出.国内外近年来对这种换热器进行了一些研发工作. 本文将试图对这种换热器的研究现状进行讨论 ,并指出可进一步开展的研究方向.1 螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置 ,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动.因此 ,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面.但是 ,螺旋曲面加工困难 ,而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便 ,采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接 ,在壳侧形成近似螺旋面 ,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动.一般来说 ,出于加工方面的考虑 ,一个螺距取 2～4 块折流板 ,相邻折流板之间有连续搭接(图 3a)和交错搭接(图 3b)两种方式 ,按流道又可分为单螺旋(图 3a、3b )和双螺旋(图 3c)两3b种结构.文献[8]指出螺旋折流板换热器之所以强化传热是因为:一方面流体在壳侧的螺旋流动更加接近于柱塞状流动 ,提高了传热温差 ;另一方面 ,螺旋流动使壳侧流体存在半径方向的速度梯度并破坏了边界层 ,从而强化了传热. 同弓型折流板换热器一样螺旋折流板换热器的研究也主要集中在壳侧流体动力学及其可视化 ,以及壳侧换热及阻力性能研究两个方面. 下面分别介绍这两方面的进展.2 流体动力学及其可视化研究在管壳式换热器中 ,流体在壳程有返混流和柱塞流两种形式. 图 4 给出了两种流动方式换热效果的比较 ,可见柱塞流的换热有效度明显优于返混流[8]. 在弓型折流板结构下 ,流体流过每一块折流板都会产生返混流 ,且滞止区内流体返混情况更加严重 ,因而传热温差较低.为了获得较好的综合换热效果 ,流体的流动应该更接近于柱塞状流动 ,即流体更多的是轴向流动而非径向流动. 最接近柱塞状流态的是采用折流杆结构的换热器 ,但这种结构存在比较厚的边界层 ,换热管周围的边界层不能被充分分离 ,其换热效果不佳[8]. 在螺旋折流板换热器中 ,壳程流体以螺旋状流过 ,其流动只有很少的返混 ,几乎没有死区 ,更接近柱塞流 ,同时由于受到离心力作用流体流过换热管后会形成脱离管壁的尾流 ,使边界层得到充分分离 ,因此换热效果较好. 文献[8]进行了壳侧的流体动力学试验 ,试件由透明有机玻璃制造 ,利用示波器并采用“激励 - 响应”技术 ,证实了上述分析. 研究表明 ,要使换热器的效能达到 70 %的水平 ,螺旋折流板换热器的传热单元数 NTU 只需214 ,而弓型折流板换热器则需要 418 (见图 5) ,即需要更多的换热面积 ,从而增大了设备的体积.另外 ,对壳侧螺旋流动的试验表明[8] :对于以一定角度错流流过壳侧的流体来说 ,流体速度分布的不均匀会使其换热效果存在较大差异. 如图 6a ,图中纵坐标为以倾角β错流流动时的 Nu 数与流动方向垂直于管子轴线时Nu数的比值. 由图可见 ,两者比值随倾角β的增大而减小,即气流方向与管轴方向垂直(β=0°时对流换热系数最大. 当流体以一定)倾角错流流过换热管束 (图 6b) ,在倾角较小(β<25°时 , Nu 数比值基本保持为 110 ,也就是换热效果)与完全错流(即横向冲刷,β= 0°时相当. 随着β的 )增大,特别是在25°<β< 40°时, Nu 数比值迅速增加,并在β=40°时达到最大,即在25°<β<40°时,其换热效果要比完全错流时好. 该文对此现象的解释为:当一根换热管被以一定的角度置于有一定速度梯度的非均速流体中时,流动失去了对称性,流体会不对称地从管子的两边分离,同时管子周围的边界层会产生螺旋状的流路. 这种现象使边界层减薄并增强边界层的扰动,从而增强了传热. 在某一螺旋角(β= 40°时 ,边界层流动达到充分发展 ,产生最佳的)换热效果. 随着螺旋角的进一步增大,流速的轴向分量会使边界层厚度迅速增加,使传热迅速恶化. 值得指出,该试验没有考虑折流板的影响,也没有将非均匀流与均匀流以一定倾角流过管束时的换热效果进行比较,并且该试验是对气体展开的,对液体情况如何尚不得而知.王素华等人采用激光多普勒测速仪测量了螺旋折流板换热器壳侧的流场,研究了螺旋角对速度分布和脉动速度的影响及其与流量的耦合关系[ 9 ,10] ,结果表明:在试验的螺旋角范围(30°～50°内,切向 )速度大于轴向速度. 螺旋角越小,切向速度越大,脉动速度对螺旋角很敏感,也随之增大. 王良对螺旋折流板换热器进行了冷态试验可视化研究[11] ,观察表明,在壳侧流量较小时,通过三角区的流动对流场的影响是不可忽视的. 滞止区大小随流量的增大而减小,即流量越大,流体更接近于螺旋流动.Stehlik 等人利用 Bell2Delaware 方法对弓型和螺旋折流板换热器的换热及压降修正系数进行了比较分析[12] ,将影响螺旋折流板换热器性能的各种因素归纳为若干因子,并且给出了各种因子的无因次准则曲线. 对螺旋折流板换热器而言,螺旋角越大,换热效果越差,要引入小于 1 的修正系数 (图 7a) ;同时,螺旋流动又使得湍流度增加,因此要引入大于 1的湍流修正系数(图 7b) . 二者的综合修正系数在螺旋角为 25°时开始增加,在 42°时达到最大,最大值是理想错流情况下的 1139 倍. 对压损而言,偏离理想错流的压降修正系数从螺旋角为 5°时开始,随螺旋角的增大而下降(见图 8a) ,由湍流引起的压降修正系数从 22°开始随螺旋角的增大而增大(见图 8b) ,二者之积的变化范围是 0126～0160,在 45°时达到最大值. 当流动为层流时,对压降所引起的湍流修正系数为 1.3 壳侧换热及阻力性能研究在螺旋折流板换热器中,垂直管束方向产生速度梯度的原因有二[ 8 ,13]: ①由螺旋流动产生的离心力的影响; ②切向的速度分量产生涡旋. 涡旋核心可以产生较高的速度梯度,从而增强换热. 文献[8]还对有无中心管的相同角度和结构(壳体内径与中心管外径之比为 513) 的螺旋折流板换热器进行了试验. 结果表明:在相同 Re 时,无论加热或冷却,使用中心管结构的 Nu 数都明显低于不用中心管结构的 (图 9) ,这是因为中心管的存在抑制了涡旋核心的产生 ,从而减弱了换热.流体流动方向与换热管束的倾角直接影响着流动特性及边界层厚度,因此也对壳侧换热效果产生重要的影响. 文献[8]和[13]进行了螺旋折流板换热器的换热及压降试验研究,试件螺旋角分别为 17°、24°、35 °、40 °、44 °,结果如图 10 所 24 35 40 44示.由图可见,一定的沿程压降下,螺旋折流板换热器壳侧换热系数大于弓型折流板换热器的,而且随着螺旋角的增大而增大,在 40°时达到最佳值,但文中并未报道试件具体结构、折流板搭接形式以及介质类型.陈世醒等人对螺旋折流板换热器在高低粘度介质下的试验研究表明[15 ,16]:在试验流量范围 (5～10m3/ h) 内 ,弓型折流板与螺旋折流板换热器的壳侧换热系数相当 ,而前者阻力较高. 与螺旋折流板换热器相比 ,在流量上限 ,弓型折流板换热器阻力增大的百分率可达 350 % ,而壳侧换热系数仅增大 90 % ,在流量下限 ,阻力增大 148 % ,换热系数几乎不增大. 王良等人对螺旋和弓型折流板换热器进行了热态试验研究[11] ,试验介质为油(壳侧) 和水(管侧) ,并且考察了假管对螺旋折流板换热器传热与阻力性能的影响. 在相同的壳侧流量下 ,带假管的壳侧阻力高于不带假管的 ,而换热系数则低于不带假管的.文献[16]则对相同的壳侧流体进口流量下加阻流板与不加阻流板的试件性能进行了对比 ,结果发现 ,在相同压降下 ,不加阻流板的壳侧换热系数优于加阻流板的(图11) . 这主要是由于阻流板平面与流体流动方向几乎垂直 ,流体正向垂直冲击阻流板造成较大压降 ,甚至局部地区可能产生类似于弓型折流板的死区 ,因而使其换热与阻力的综合性能反而下降. 文献[17]将螺旋折流板与菱形翅片管结合成一种新型的高效换热器 ,既利用了螺旋折流板换热器传热效果好、流动压降小的特点 ,又发挥了菱形翅片管强化传热的独特优势. 结果表明 ,在 0122～0185 m/ s 的流速范围内 ,螺旋折流板菱形翅片管换热器壳侧换热系数在相同流速下与螺旋折流板光滑管换热器相比提高了54 %～108 % ,而流动阻力系数降低了 5 %～30 % ,可产生较好的强化传热和节能降耗效果.4 螺旋折流板换热器的应用螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高 ,这就意味着在获得相同的壳侧换热系数条件下 ,其壳侧阻力将小于弓型折流板换热器的 ,同时其流量要大于弓型折流板换热器的. 因此 ,螺旋折流板换热器在壳侧压力降或污垢热阻限制比较严格的场合 ,以及流体诱导振动比较严重的场合尤其显示出其优越性[1].文献[8]以核电厂的辅助冷却系统为例 ,说明了其优越性. 该冷却系统的设计参数为:热流体的进出口温度分别为 270 ℃和 55℃,冷流体的进口温度亦为 55 ℃,所以要附加一个后冷却器 ,冷却水温度为 44 ℃,整个换热器组的热负荷为15 MW ,阻力损失不超过80 kPa. 表1显示了采用传统弓型折流板和螺旋角分别为 20°、40 °的螺旋折流板换热器(其流程布置见图 12) 的设计结果. 由于系统对压损要求严格 ,所以弓型折流板系统采用并联流程. 可以看出 ,采用 40°螺旋角的折流板换热器其质量仅为弓型折流板换热器的 46 %.5 小结综上所述 ,螺旋折流板换热器在综合性能方面显示出了其优越性 ,只要设计恰当 ,可以获得较好的综合性能. 但是 ,与传统弓型折流板相比 ,需要进一步做研究的地方尚有许多 ,比如:迄今人们对管壳式换热器的研究大多集中在弓型折流板方面 ,TEMA的标准也是针对弓型折流板而言的 ,要使螺旋折流板进入标准化的设计 ,则需要对其流动和传热机理展开详细分析研究 ,而影响其流动和传热机理的因素除了影响传统弓型折流板的因素以外 ,还有如几何因素(布置型式、螺旋角、螺距) 、相变情形、不同介质的物性影响等等. 有理由相信 ,随着计算机技术的不断发展以及对螺旋折流板换热器机理的深入研究 ,这种换热器的应用将更加广泛.参考文献:略。
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第４ ０卷 第 １ 期
２１ ０ ０年 １月
东 南 大 学 学 报 （自然 科 学版 ）
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摘 要 ： 三分螺旋折流 板换热器 和对 比方 案 弓形折 流板 换热 器 的传 热和压 降性 能进 行 实验 测试 ， 对 其 中， 三分螺旋折 流板换 热器 包括倾斜 角分别 为 １ 。１ 。２ 。 ０ ， ，０ 的扇形折 流板 ， 斜 角为 １。 ５ 倾 ５ 的椭 圆折 流 板和倾斜 角为 ２ 。 ０ 的扇形搭接 折流板 ５种 方案． 实验 结果表 明 ， 。 斜角 扇形折 流板 方案 的壳侧 ２ 倾 Ｏ 换 热系数最高且压 降较低 ； 流板 轴 向搭接 方 案 并不合 理 ； 折 当量螺 旋 角对换 热器 的性 能起 决定 作 用． 根据 实验数据 拟合 出含有倾 斜角修 正 因子 的三分螺旋折 流板 换热器 壳侧 换热 系数 的关联 式 ， 所 计算 的 １ 。１ 。 ２ 。 ０ ，５ 和 ０ 扇形 折流板方 案 的数值 与实验值相 比误差 大多小于 ± ０ １ ％． 关键 词 ：螺旋折 流板 换热 器 ； 三分 螺旋 折流板 ； 斜 角 ； 倾 当量螺 旋 角 ； 能 实验 性 中 图分类 号 ： Ｋ１４ Ｔ ２ 文献标 志码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ １— ５ ５ ２ １ ） １０ ４ －５ １ ０ ０ ０ （ ０ ０ ０ －１ ９０
ｂ ｆ ｅ ｎ ｌ ｄ ａ ｇ ｅ ｈ ｓ ｔ ｅ ｈ ｇ ｅ ｔｓ ｌ ｉ ｅ ｈ ａ ｒ ｎｓｅ ｏ ｆ ｃｅ ｔａ ｏ ｐ ｅ ｓ ｒ ｒ ｐ； ｔ ｅ ａ ｌ ｓｉ ｃ ｉ ｎ ｌ ａ ｈ ｉ ｈ ｓ ｈｅｌ ｓｄ ｅ ｔ ｔａ ｆ ｒ ｃ ｅ ｎｅ ｉ ｉｎ ｎｄ ｌ ｗ ｒ ｓｕ ｅ ｄ ｏ ｈ
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