三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能

94在化工装置中管壳式换热器型式众多，当壳侧流体流量大且压降限制严格时，通常会采用双弓形折流板形式。

但是双弓形折流板在支撑结构和流动方式上存在诸多缺陷：壳侧流动存在冲刷不充分的流动死区、死区内局部换热系数低，壳侧整体换热不均匀，同时死区容易结垢，威胁换热设备的安全运行[1]。

为了提高壳侧单位压降下传热和避免壳侧由于沉积污垢造成的腐蚀泄漏，工业应用中越来越多的采用螺旋折流板代替壳侧弓形折流板，使壳侧在螺旋折流板引导下形成复杂的螺旋流形态，提高管束间的流速、实现壳体横向截面流体充分混合同时壳侧压降不增加，从而达到强化传热的目的[2]。

工程应用中最多采用的为四片式螺旋折流板结构，见图1，螺旋折流板一个螺旋节距的长度上是由四片式扇形板片按一定的安装倾角上、下、左、右交错排列而成，再用定距管将其定位，使其形成螺旋状[3]。

但是四片式螺旋折流板结构为非连续螺旋折流，中间相邻板片间会出现三角形的漏流区，严重削弱了传热能力[4]。

针对四片式螺旋折流板三角区短路漏流的缺点，中国石化工程建设公司联合抚顺化工机械设备制造有限公司和辽宁石油大学提出了一种新型的六片式螺旋折流板换热器型式，并获得专利授权[5]。

 图1 四片式螺旋折流板 图2 六片式螺旋折流板1 模型设置1.1 几何模型三维数值模拟用SolidWorks分别建立尺寸180x1200mm下六片式螺旋折流板、四片式螺旋折流板和双弓折流板结构，设备型式BEM，水平安装，10mm换热管，正方形布管，换热管间距13mm，布108根换热管，换热器所有材质均采用碳钢。

双弓折流板结构采用16块折流板，间距60mm。

六片式螺旋折流板和四片式螺旋折流板都采用10度螺旋角，搭接度42%[6]。

由于管束元件较多，内部结构复杂，本文对换热器的结构进行适当简化如下：（1）认为换热管与折流板、筒体与折流板和管束与壳体都为紧密切合，忽略流体通过缝隙渗螺旋折流板换热器传热和流动性能分析宁静 中国石化工程建设有限公司 北京 100101 摘要：利用CFD分析软件FLUENT，研究10度螺旋角条件下，六片式螺旋折流板换热器和常见四片式螺旋折流板换热器传热和流动特性，并与双弓形折流板换热器进行对比。

第56卷第4期化工学报Vol156No14 2005年4月Jour nal of Chemical Industr y and Engineer ing(China)April2005研究论文交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能王秋旺1,罗来勤1,曾敏1,王良1,陶文铨1,黄彦平2(1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049;2空泡物理和自然循环重点实验室,四川成都610041)摘要:对交错搭接螺旋折流板换热器壳侧的流动与传热性能进行了实验研究,着重研究了内插假管及不同螺旋角度对壳程传热和阻力的影响,并与传统弓形折流板换热器进行了对比.结果表明,假管的存在反而使传热综合性能下降,同时,在相同的壳侧流量下,螺旋折流板换热器的壳程阻力和壳侧传热系数均随螺旋角的增大而减少,且小于同样条件下弓形折流板换热器的相应值.与弓形折流板换热器相比,螺旋折流板换热器的特点是单位压降下的壳侧传热系数高.关键词:交错螺旋折流板;管壳式换热器;假管中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:0438-1157(2005)04-0598-04Shell2side heat transfer and pre ssure drop ofshell2and2tube hea t e xchangers with ove rlap helical bafflesWA NG Qiuwa ng1,L U O Laiqin1,ZENG M in1,WA NG Lia ng1,T AO Wenquan1,HU AN G Yanping2(1Sta te K ey La b ora tor y of Multiphase F low in P ower Engineer ing,Xi.an J ia otong Univer sity,Xi.a n710049,S ha anxi,China;2State Key Labor a tory of Bub ble P hysics a nd N atur al Cir cul ation,Cheng du610041,S ichuan,China)A bstract:The shell2side pr essure drop and heat tr ansfer performance of shell2and2tube heat exchangers with overlap helical baffles were studied experimentally in comparison with those of traditional segmental baffles heat exchanger s.T he influences of inserted dummy tubes and helical angles wer e investigated in detail.It was found that the presence of dummy tubes deteriorated the over all heat transfer performance of heat exchangers with helical baffles.T he shell2side pressure drop and heat transfer coefficient decreased with the increase of helical angle at indentical shell2side mass flow rate,and both of them were lower than those of the corr esponding segmental2baffle heat exchangers.The shell2side heat transfer coefficients for the helical2baffle heat exchangers wer e higher than those of the segmental2baffle heat exchanger s at the identical shell2side pressure drop.Key words:over lap helical baffles;shell2and2tube heat exchanger;dummy tubes2004-02-17收到初稿,2004-06-02收到修改稿.联系人及第一作者:王秋旺(1969)),男,教授.基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(51482100204J W0801).Rece i ved date:2004-02-17.Corres ponding author:Prof.WANG Qiuwang.E-mail: wan gqw@mail1x jtu1edu1cnFoundati on item:supported b y Research Foundation of Key Laboratory of National Defense Scien ce and Techn ology (51482100204JW0801).引言管壳式换热器在化工、能源等领域占据着主导地位,在我国全部换热器产量中约占80%[1].在这种换热器中,折流板起着改变流体流动方向和支撑管子的作用.传统弓形折流板换热器中,壳侧流体呈弯曲的之字形流动.但这种折流板的布置形式带来了很多问题[2,3]:沿程压降大;易产生流动滞止死区;旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流速;高的质量流速诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命.因此,为了节能及节材,迫切需要改变传统的折流板结构形式.20世纪90年代,针对弓形折流板换热器壳侧流动的上述缺点,国外科研人员提出了螺旋折流板换热器的概念,并由ABB公司于1994年实现了产业化.它基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置,使壳侧流体呈连续螺旋流动.通常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,在壳侧形成近似的螺旋面,使换热器中的壳侧流体产生连续的螺旋状流动,以达到有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的.折流板与折流板之间的搭接方式可以是折流板外围点接触的连续搭接和折流板交叉点接触的交错搭接.另外,按流道又可分单螺旋和双螺旋[4].由于涉及商业机密,目前这方面的参考文献比较有限[4~10].不同的螺旋折流板结构,其壳侧的流动情况差异也很大.所以有必要对其壳侧流动情况进行仔细的研究.本文对3种螺旋角下的交错螺旋折流板换热器的传热及阻力性能进行了实验研究,并与传统弓形折流板进行了对比.1实验系统及实验过程实验系统主要由两部分组成:壳侧的油路循环系统和管侧的水路循环系统(如图1所示).实验所用元件为浮头式124型换热器,其两端封头里加有隔板,构成了4管程的结构.由于隔板的存在,在换热器十字缝处不能布置换热管,这样在换热器壳侧会产生十字缝,容易引起流动的短路.为了减少从十字缝处的短路流动,可以在十字缝处布置不穿透换热器两端挡板的实心棒.由于这种实心棒内无流体流动,不参与换热,故称之为假管.此外,单交错螺旋折流板布置的换热器在相邻折流板之间会产生三角区.如果用一块平面三角板(称之为阻流板)将其堵上,强迫流体沿着螺旋通道流动,使流动更接近螺旋的柱塞状流动.文献[10]对阻流板的影响进行了讨论,结果表明:在相同的壳侧流体进口流量下,壳侧传热系数提高20%,而壳侧流体沿程压降增加约一倍.在相同压降下,不加阻流板的壳侧传热系数优于加阻流板的试件.本文将对不同角度的螺旋折流板换热器是否加假管的传热与阻力性能进行实验研究.实验元件如表1所示.Table1Tested heat excha ngersT ype of baffleWith or withoutdu mmy tu beH elical angles egmental with)s egmental without)h elical with10bh elical without10bh elical with15bh elical without15bh elical with2215b2实验结果及讨论211假管对传热和阻力性能的影响以15b的螺旋角为例,在相同的壳侧流量下,带假管的壳侧阻力高于不带假管的,而其传热系数则低于不带假管的,见图2和图3.这是因为假管不参与换热,但其存在一方面增加了流体扰动,另一方面减小了流体沿半径方向的速度梯度,从而削弱了传热.从这个意义上来说,假管的作用相当于文献[4]中的中心管.文献[4]的研究表明:在相同Re时,无论加热或冷却,使用中心管结构的#599#第4期王秋旺等:交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能N u 都明显低于不用中心管的结构,无中心管的比有中心管的螺旋折流板换热器壳侧传热系数高出30%,该文对此的解释为中心管的存在抑制了涡旋核心的产生,因此减弱了换热.F ig 12 I nfluence of dummy tubes on pressur edropFig 13 Influence of dummy tubes on heat tr ansfer212 传热与阻力性能的评价将螺旋角分别为10b 、15b 和2215b 的螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器进行了传热及阻力性能的比较,结果如图4~图6所示.从图4可以看出:相同的壳侧流量下,弓形折流板换热器的壳侧传热系数大于螺旋折流板换热器的,并随着螺旋角的增大而减小.而阻力性能可从图5看出:相同的壳侧流量下,弓形折流板换热器的壳程阻力大于螺旋折流板换热器;壳程阻力随着螺旋角的增大而减小;而且螺旋角越大,阻力随流量增大的速率越小,与弓形折流板换热器的壳程阻力差距越大.图6则显示了不同试件的综合性能,可以看出:随着壳侧油流量的增加,单位压降下的壳侧传热系数迅速下降,然后趋于平缓;在相同的壳侧油流量下,不同试件单位压降下的壳侧传热系数的规律是螺旋折流板换热器的大于弓形折流板换热器的,而且在实验范围内,随着螺旋角的增大而增大.即:2215b >15b >10b >弓形折流板换热器.实验结果表明,在相同的壳侧流量下,壳侧传热系数随螺旋角的增大而减小.主要原因如下:¹对于螺旋折流板换热器,壳体内径、螺旋角及折流F ig 14 Heat t ransfer coefficients vs flow rateF ig 15 Pressure drop vs flow r ateF ig 16 h /$p vs oil flow r ate板间距三者是相互关联的.当壳体内径一定时,折流板间距随着螺旋角的增大而增大,因此,壳侧最小截面面积也随之增大.在相同的壳侧流量下,大螺旋角试件最小截面的流速较低,不利于换热.º由于折流板的引导及三角区流动,流体的流动方向与换热管平行或有一倾角,这要比垂直冲刷管束的流动换热效果差.据文献[7],用非均匀流冲刷有一倾角的换热管束来模拟螺旋折流板换热器壳侧两块折流板之间的流场,其换热性能随着角度的增大而增强,且40b 时最佳.但这是对于换热管束的实验,并不能完全解释换热器壳侧流动形式.原因如下:¹由于折流板的布置方式,使流动并不是按所预想的螺旋通道流动,有相当一部分是沿着三角区流动的,只有当壳侧流量较高时,三角区流动占总#600#化 工 学 报 第56卷流量比例很小时,流动形式才会较接近理想的螺旋流动的形式.因此,文献[7]中管束实验的流动形式不能完全代表换热器壳侧的流动形式.º在螺旋流动为主导的流动中,由于换热管排列方式的不同,导致不同换热管外壁附近的流体流速分布也有很大差别,离中心轴线越远,流速越高,而在管束实验中,没有这样的速度分布.»对换热器的评价要同时考虑换热及压降两方面的影响,而压降的影响因素是很多的,包括折流板的布置、换热管的布置、加假管、阻流板、进出口导流板的布置及壳体与管束之间的旁流、换热管与折流板之间的漏流影响等诸多因素.3结论本文对交错单螺旋布置的螺旋折流板管壳式换热器壳侧的结构、流动、传热及阻力性能进行了热态实验研究,结果表明:¹假管的存在使换热器壳侧压力损失增加,但却使换热效果变差,换热器的综合传热性能下降;º在相同Re下,壳侧传热系数和壳侧沿程压降均随着螺旋角的增大而减小,而后者减小的速率要低于前者.螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比,其特点是单位压降下的壳侧传热系数高.这就意味着在获得相同的壳侧传热系数条件下,螺旋折流板换热器壳侧阻力将小于弓形折流板换热器,同时其流量要大于弓形折流板换热器.符号说明h)))表面传热系数,W#m-2#K-1N u)))Nusselt数P r)))P randt l数$p)))压力降,P aRe)))R eynolds数B)))螺旋角,(b)Re f e re nces[1]J in M ingcong(靳明聪),Chen g Shangm o(程尚模).H eatExchan gers(换热器).Ch on gqing:Ch ongqing U niver sityPres s,1990[2]Li H D,Kottk e V1Vis ualization and determination of localheat tran sfer coefficients in s hell2and2tube heat exchangersfor staggered tube arrangemen t b y mass transfermeasu rem ents.E xp er imen tal Th ermal and F lu id Science,1998,17:210)216[3]Reppich M,Zagermann S1A new des ign method forsegmen tally b affled heat exch ang p uter s Chem1Eng1,1995,19:137)142[4]Lutcha J,Nemcans ky J1Performance improvem ent oftubular heat exch angers by h elical baffles.Tr ans1I ChME,1990,68(A):263)270[5]Wang Suh ua(王素华),Wan g Shuli(王树立),ZhaoZhiyong(赵志勇).Studies on flow characteristic of h eatex changer s with helical baffles.J ou rnal of P etrochemicalUniversities(石油化工高等学校学报),2001,14(3):64)67[6]Steh lik P,Nemcansky J,Kral D1Comparison of correctionfactors for sh ell2and2tu be heat exchangers with segmen tal orhelical b affles.H eat T ransf er Eng ineering,1994,15(1):55)65[7]Kral D,Stelik P,van der Ploeg H J1H elical baffles in shell2an d2tube h eat ex changer s#Ñ#Experimen tal verification.H eat T ransf er Eng ineering,1996,17(1):93)101[8]Chen Shixing(陈世醒),Zh ang Kezheng(张克铮),Zhan gQiang(张强).Experimental inves tigation of th e helicalbaffles heat ex changer for high vis cosity fluid.J ournal ofF ushun Petr oleum Institute(抚顺石油学院学报),1998,18(3):31)35[9]Zh ang Kezhen g(张克铮),Chen Shixing(陈世醒),Zhan gQiang(张强).Ex perim ental Investigation of th e helicalbaffles heat exchanger for low vis cosity flu id.J ou rnal ofF ushun Petroleum I nstitute(抚顺石油学院学报),1998,18(3):36)38[10]Wang Liang(王良),Luo Laiqin(罗来勤),Wan gQiuwan g(王秋旺),T ao Wenquan(陶文铨).Effect ofinserting block plates on pres sure drop and heat transfer insh ell2and2tub e heat exchangers with helical baffles.J our nalof En gineer ing T her mop hy sics(工程热物理学报),2001,22(S):173)176#601#第4期王秋旺等:交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能。

2014.7.23宋小平 裴志中 2006.6.2 S防短路螺旋折流板管壳式换热器螺旋折流板的一周螺旋，仍有X 块折流板连续组成，但每一块折流板直边，增加一至二排管距宽度C 。

组装时重叠搭接部分由同根管子穿过，为避免接触点干涉，在交叉处开一宽度为C 的缺口以便相邻两螺旋折流板相交。

这种交叉重叠搭接方式接续，可以对流经管束的介质起到引导作用，减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路现象，同时强化了折流板之间的连续性，避免了装配时的径向分离。

防短路螺旋折流板搭接形式示意图华南理工大学 徐白平 江楠 2006.1.20 F复杂流场螺旋折流板换热器及其减阻强化传热方法换热器内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围。

该换热器利用内外螺旋折流板不同结构的导流作用，引入复杂流场，改善流体在壳体内壁附近及折流板背风侧的流动状态，强化壳体处与中心外围区域的混合，提高流体在换热器内整体湍动程度，较大幅度地提高壳程的传热膜系数，提高换热器的有效利用面积，强化壳程传热。

换热器结构加工、装配、维护方便，制造成本低，突破了限制螺旋折流板向大流量操作的瓶颈，节能降耗，市场前景好。

一种管壳式换热器王秋旺 贺群武 2003.10.17 F本发明涉及一种管科式换热器，主要应用于气体压缩机中间冷却器。

包括一个壳体，位于壳体中心的中心气体通道，分别位于壳体两端的两个挡板，一束平行固定于两个挡板之间的内翅片管束，位于壳侧的冷却水入口和冷却水出口，若干位于内翅片管束和外壳之间的螺旋形折流板，翅片管两端固定于两块挡板之间，中心气体通道与前后两个挡板以及壳侧外壳共轴，其中，每个内翅片管包括外管，堵塞的芯管和内翅片，内翅片管中的内翅片采用弯曲形状翅片。

本发明所采用螺旋形折流板和内翅片管采用锯齿形翅片或者螺旋形翅片的结构方式，可以使得换热器更加紧凑，换热效率更高，而且壳侧结垢少，使用寿命增加。

专利名称：一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法专利类型：发明专利
发明人：曾敏,郭泽峰,李年祺,王秋旺
申请号：CN202010926604.4
申请日：20200907
公开号：CN112146477A
公开日：
20201229
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法，包括一个壳体及设置在壳体上的壳侧进口管和壳侧出口管，紧靠壳体两侧的管板一和管板二、左封头和右封头，左封头上设置管侧进口管，右封头上设置管侧出口管，壳体内有一根中心管、多根换热管并固定于左右两个管板上，开有射流孔的连续螺旋折流板固定于中心管上，并与换热管相互配合组成使流体纵向流动的射流孔，壳侧流体的流动为绕折流板的螺旋流与通过射流孔的纵向流而组成的交叉流。

本发明可以显著提升管壳式换热器壳侧的综合换热性能，减少换热器壳侧污垢沉积，使换热器更加高效、紧凑。

申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
国籍：CN
代理机构：北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司
代理人：郑萌萌
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介质不同，传热系数各不相同我们公司的经验是：1、汽水换热：过热部分为800~1000W/m2。

℃饱和部分是按照公式K=2093+786V（V是管内流速）含污垢系数0.0003。

水水换热为：K=767(1+V1+V2）（V1是管内流速，V2水壳程流速）含污垢系数0。

0003实际运行还少有保守。

有余量约10%冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.℃)水水 850～1700水气体 17～280水有机溶剂 280～850水轻油 340～910水重油60～280有机溶剂有机溶剂115～340水水蒸气冷凝1420～4250气体水蒸气冷凝30～300水低沸点烃类冷凝 455~1140水沸腾水蒸气冷凝2000～4250轻油沸腾水蒸气冷凝455～1020不同的流速、粘度和成垢物质会有不同的传热系数。

K值通常在800~2200W/m2·℃范围内.列管换热器的传热系数不宜选太高，一般在800—1000 W/m2·℃。

螺旋板式换热器的总传热系数（水—水)通常在1000~2000W/m2·℃范围内。

板式换热器的总传热系数（水（汽）—水）通常在3000～5000W/m2·℃范围内.1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例）(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子.（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。

（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。

(4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。

(5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。

（6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。

（7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re〉100）下即可达到湍流,以提高对流传热系数。