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一种特殊形式的螺旋折流板换热器在石油、化工、动力、冶金、能源等工业部门中常常涉及诸多的传热问题,列管式换热器是当前工业生产中应用最广泛的传热设备。
与其它类型的换热器相比,其主要优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好。
加之结构简单、制造所需的材料范围广、操作弹性较大等,因此在化学工程领域中得到越来越广泛的应用。
为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧以提高壳程传热膜系数,通常要在列管式换热器的壳程安装折流板,最常见的是圆缺形挡板。
流体在装有圆缺形挡板的壳体内曲折流动时,方向和速度不断改变,特别在折流板边缘处易产生流体分离。
由于在弓形板与壳体间存在着流动死区,流体在折流板中反复地叉流运动,降低了传热推动力(Δｔｍ),若想获得较高的传热性能,只有减小弓形板的间距,这必然会伴随着较高的流动阻力,以较高的能耗为代价。
因而迫切需要改变这种传统的折流板形式。
螺旋折流板换热器由于其独特的优点而成为理想的替代产品。
螺旋折流板换热器如图1所示,主体由壳体、管板、折流板、阻流板、支持板、定距管组成,连续螺旋状的准扇形板及其支持的换热管束构成拟螺旋流动系统。
流体在壳体内平稳螺旋流动,降低了常规弓形折流板横向折流时所产生的压力损失。
由于介质呈螺旋式流动,在径向产生速度梯度,形成径向湍流,彻底改变了弓形折流板换热器的流体流动方式和流场分布,减薄了传热管表面滞流底层的厚度,提高了传热膜系数,消除了弓形板的传热死区,使壳程的传热状态大为改善。
此外,螺旋折流板结构可以满足的工艺条件很宽,设计方面具有很大的灵活性, 可针对各种特殊的工艺条件选择最佳的螺旋角。
螺旋折流板换热器的面世,引起了国内外传热专家的关注[1-3]。
近年来,对螺旋折流板传热性能和流动特性的研究更是方兴未艾[4-6],张克铮[7-8]等也曾先后对高、低粘度的流体进行了小试和中试。
实验证明:螺旋折流板换热器较之传统的弓形折流板换热器无疑是一次重大变革。
但已有的螺旋折流板换热器,尚存在有待改进的地方:由于折流板与轴成所在的平面垂直,与规范的螺旋通道存在着差距,对轴向运动的流体存在反压,流体突然转向会造成极大的能量损失,特别在螺旋角较大时更是如此。
螺旋折流板换热器换热强化的数值研究文键;杨辉著;杜冬冬;薛玉兰;王萌萌;王斯民【摘要】针对目前常用螺旋折流板换热器壳程的一个螺距主要采用4块折流板结构而严重影响换热器性能的问题,提出了一种旋梯式折面折流板新结构,用来封闭原始折流板之间的三角漏流区,使壳程流体接近连续的螺旋状流动.模拟结果表明:采用旋梯式折面折流板代替原始的扇形折流板后,换热器壳程流体的切向和径向速度大幅提升,轴向速度略有降低;换热器总传热系数增加51.7％～66.1％,壳程压降增加159.8％～186.2％,换热器的热性能因子提高了10.4％～17.0％,平均增加14.1％.采用旋梯式折面折流板能有效提高螺旋折流板的换热性能,且具有定位和安装简单、方便等优点,对于换热器的节能优化设计具有重要的指导意义.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2014(048)009【总页数】6页(P43-48)【关键词】螺旋折流板换热器;节能优化;三角漏流;换热强化【作者】文键;杨辉著;杜冬冬;薛玉兰;王萌萌;王斯民【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学化学工程与技术学院,710049,西安;西安交通大学化学工程与技术学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK124κ 湍流脉动动能,m2·s-2u 速度,m·s-1Re 雷诺数qs 体积流量,m3·s-1Am 壳程最小流通截面积,m2B 螺距,mmDs 壳体内径,mmDotl 管束直径,mmdt 管子外径,mmtp 管间距,mmLbb 管束与管体的间隙,mmh 传热系数,W·m-2·K-1A 传热面积,m2Δtm 对数平均温差, ℃N 管子数Ls 管子长度,mmts,in、ts,out 壳体进、出口温度, ℃tw 管壁温度, ℃Nu 努赛尔数Δp 压降,kPaf 阻力系数ε 湍流脉动动能耗散率,kg·m-1·s-1cp 比定压热容,kJ·kg-1·K-1μ 动力黏度,m2·s-1ρ 密度,kg·m-3λ 导热系数,W·m-1·K-1β 螺旋角,(°)Φs 换热量,W下标in 进口out 出口s 壳侧t 管侧w 管壁相比于传统的弓形折流板换热器,螺旋折流板换热器具有壳程阻力小、壳程传热系数高以及能有效抑制壳程污垢累积沉淀、防止流体诱导振动、可实现长周期高效率运行等优点,在石油化工等行业广泛应用[1]。
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。
螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究近年来，螺旋板换热器作为一种高效换热设备，被广泛应用于化工、电力、石化等行业。
螺旋板换热器通过原理上的独特设计，能够提高换热效率，节省能源。
在螺旋板换热器中，分离板通过螺旋弧槽连接，形成一个平行的流道，使两种流体能以对流的方式进行换热。
在这个过程中，流体会产生旋转流动，形成涡流。
这种旋转流动的存在会对传热产生影响，进而影响换热效率。
为了研究螺旋板换热器中涡强化传热的机制，我们进行了数值模拟研究。
首先，我们建立了螺旋板换热器的几何模型，并确定了边界条件。
然后，我们使用计算流体力学（CFD）方法，求解了螺旋板换热器内部的流场和传热情况。
通过数值模拟，我们发现在螺旋板换热器中，涡流能够有效增强传热效率。
涡流的形成使流体的湍流程度增加，从而增加了界面的传热面积，提高了换热效率。
与传统的平板换热器相比，螺旋板换热器具有更高的传热系数和传热效率。
除了发现涡强化传热的机制，我们还通过数值模拟研究了涡强化传热的影响因素。
我们发现，涡强化传热受到流体速度、入口温度、流动方向等因素的影响。
较高的流体速度会增加涡流的强度，提高传热效率。
而较低的入口温度和适当的流动方向也有利于涡强化传热。
此外，我们还通过数值模拟研究了螺旋板换热器中的压降情况。
我们发现在螺旋板换热器中，涡强化传热会导致较大的压降。
因此，在实际应用中需要对螺旋板换热器进行适当设计，以平衡传热效率和压降。
综上所述，螺旋板换热器涡强化传热数值模拟研究为我们深入了解螺旋板换热器的传热机制提供了有效的手段。
数值模拟结果表明，在螺旋板换热器中，涡流能够显著增强传热效率。
然而，由于涡强化传热会增加压降，所以在应用中需要综合考虑传热效率和压降两个因素，进行适当的设计。
未来，我们将进一步完善数值模拟研究的方法，提高模拟精度，探索更多的影响因素。
同时，我们还将结合实际应用，进行实验验证，进一步验证数值模拟结果的准确性。
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。
螺旋折流板换热器壳程传热和压降的实验研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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收稿日期:2005203208;修改稿收到日期:2005205209。
作者简介:徐百平(1969-),博士,副教授。
研究方向为化工过程强化传热与节能,高分子材料加工动力学模拟仿真,传热过程的热力学效能评价。
在国内外核心刊物发表论文30余篇。
螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟研究徐百平1,2,王铭伟3,江 楠1,朱冬生2(1.华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州510640;2.华南理工大学能源与化工学院;3.空军航空大学)摘要 借助F luent 软件,建立了螺旋折流板换热器壳程通道的三维物理模型,采用RNG k 2E 模型,对壳程内的流动与传热进行了数值模拟研究,得到了不同雷诺数下换热器内的速度矢量、温度分布,即平均阻力系数及Nu 数。
结果发现,壳程的流动为近螺旋线流动,存在局部回流与流线短路;流体在折流板迎风侧的流动较理想,但背风侧流动需要进一步改善。
类比定律分析表明,螺旋折流板换热器的流动虽然比弓形折流板理想,但还远没有达到理想的协同状态。
关键词:螺旋折流板 换热器 流体流动 传热 数值模拟1 前 言螺旋折流板换热器自1990年出现以来,由于其流动与传热优势得到了日益广泛的应用[1]。
目前,国内二十几家炼油厂都采用了这种新的换热器结构来替代传统的列管式换热器,有效地解决了结垢与管子振动等问题,降低了系统操作的压力降[2]。
为进一步揭示壳程的流动与传热特性,王素华等[3]采用PLDV 激光测速仪对螺旋折流板换热器内部的流场进行了流动特性研究,得到不同螺旋倾角的影响规律。
但是,由于换热器结构的多样性及设计针对的具体场合也不同,传统的基于相似理论的设计方法及实验手段已远不能满足要求。
随着计算机技术的日益发展,基于计算流体动力学(CFD)数值模拟技术的设计方法已显示出强大的生命力,使得基于一定前提的理论模拟与实验研究相结合的优化设计方法成为可能。
由于这种方法费用低、速度快、容易实现参数化分析以及减少人力物力的投入,使得人们能够借助微分方程组来实时模拟实际过程,有时甚至可以发现实验难以捕捉的现象,并为进一步优化设计打下基础,因此,往往成为解决工程实际问题研究的首选手段。
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。
高效换热管，根据不同的工况，可以选用符合由江苏中圣高科技产业有限公司主编的GB/T 24590《高效换热器用特型管》的各种特型管，如T型槽管、波纹管、内波外螺纹管、内槽管及螺纹管等各种高效传热元件。
1.2 性能分析1.2.1 壳程压降低、不容易结垢传统弓型折流板的布置是垂直于管束的，流体在壳体内呈“Z”型流动，如图2所示，方向改变剧烈，产生的压降大。
同时弓形板的底角处形成一个相对静止的流动死区，容易积累污垢；而流体在螺旋折流板换热器的壳程内流动时，呈整体螺旋式推进，如图3所示，方向改变缓和，压降低。
没有流动死区，介质不会因为沉积而导致结垢。
图2 弓型折流板换热器介质流动示意图图3 螺旋折流板换热器介质流动示意图1.2.2 传热效率高弓型折流板换热器的流动死区部分基本起不到换热作用，而螺旋折流板换热器不存在流动死区，换热面积利用更充分，同时由于流体的螺旋流动会在径向界面上产生速度梯度，形成湍流，提高壳程传热系数[2]。
也有人认为流体在螺旋折流板换热器的壳程流动时，沿换热管的轴向存在分量，因而在相同的流速下壳程传热系数低于弓型折流板换热器的传热系数，因此引入了单位压降下的传热系数这个概念，作为评价换热器综合性能的依据[3]。
很多研究0 引言换热器在化工企业中占总投资的10%～20%，在炼油厂中比例更是高达总投资的35%～40%，管壳式换热器由于制造成本低，处理量大，工作稳定可靠，清洗方便，是热量传递中应用非常广泛的一种换热器[1]。
但是，传统的管壳式换热器存在换热效率低、压力降大，设备尺寸大、投资成本高等缺点。
因而对传统的管壳式换热器进行合理的优化改进，提高传热效率、减少设备投资，降低运行成本很有必要。
换热器传热效果的优化提高主要通过强化管程传热和强化壳程传热两个方面来实现。
管程的强化传热可以通过使用各种高效换热管实现，壳程的强化传热可以通过改变壳程的内部结构实现。
LUMMUS公司研发的螺旋折流板换热器能够有效地克服传统弓型折流板换热器在使用过程中产生的弊病，有效单位压降下能够大幅度提高换热器的传热效率，在国外石油化工行业已得到广泛应用。
第14卷 第1期 石油化工高等学校学报 Vol.14 No.12001年3月 J OU RNAL OF PETROCHEM ICAL UN IV ERSITIES Mar.2001 文章编号:1006-396X (2001)01-0064-04螺旋折流板换热器流动特性研究王素华, 王树立3, 赵志勇(抚顺石油学院化工机械系,辽宁抚顺113001)摘 要: 用激光测速仪详细测量了螺旋折流板换热器的流场特性,着重研究了旋流角对速度分布和对脉动速度的影响及其与流量的偶合关系,并对速度分布对换热性能及阻力的影响做了详细的分析和讨论。
模型换热器采用有机玻璃制作,壳体尺寸为<200mm ×6mm ×3000mm (外径×壁厚×长度),换热管外径为15mm ,共52根,均匀布置。
折流板倾斜角度取30,35,40,42°四种,双头布置。
实验介质为常温下自来水,流量测量采用转子流量计,流量范围为3～20m 3/h 。
一般情况下,随着旋流角的减小,切向速度分量增大,脉动速度也相应增大,有利于换热;流量增加使速度沿径向分布趋于均匀。
但螺旋角减小,流动损失也随之增加,尤其在旋流角小于35°以后,流动损失增加幅度加快。
综合考虑,建议使用螺旋板角度为35°。
关键词: 螺旋折流板; 换热器; 流动特性; 激光测速中图分类号: TQ051.5 文献标识码:A 传统的管壳式换热器多采用弓形折流板(图1),它的优点是结构简单、制造方便。
其缺点是:(1)流动死区大,换热系数小;(2)流动压降大。
为了解决上述问题,文献[1]提出了将折流板设计成与壳体横断面有一个倾斜角度,使流体在壳程旋转流动,称为螺旋折流板换热器(Heat exchanger with helical baffles ,图2)。
螺旋折流板换热器的设计思想是将折流板分成4块,首尾相接,与管束布置成一定的倾斜角度,形成螺旋流道。
三分螺旋折流板换热器的数值模拟和试验研究的开题报告一、研究背景及意义换热器是工业生产中广泛应用的重要设备，其性能直接影响着生产过程的效率和质量。
在热力学课程中，我们学习了许多优秀的换热器设计和理论，但实际应用过程中，由于工况条件和设备参数的不同，常规的换热器设计往往无法满足需求。
因此，研究新型换热器及其性能优化具有重要的现实意义和实际价值。
三分螺旋折流板换热器作为一种新型换热器，具有结构简单、形式多样、传热效率高等优点。
它主要由三根螺旋管、螺旋折流板、端盖、进出口管路等组成，折流板的设计对换热器的性能影响较大。
因此，对三分螺旋折流板换热器进行数值模拟和试验研究，不仅可以深入了解该换热器的传热机理和性能特点，还可以为其优化设计提供可靠的理论依据和实践经验。
二、研究内容和方法本研究将采用数值模拟和试验相结合的方法，分为以下几个内容：1. 设计和制作三分螺旋折流板换热器实验样机，选择一些典型介质进行试验研究，探究折流板结构对传热性能的影响。
2. 基于计算流体力学（CFD）方法，建立三维数学模型，对换热器内部流态和传热效率进行数值模拟。
3. 结合实验数据和数值模拟结果，分析换热器的结构参数对传热性能的影响及其优化方法。
三、预期结果和意义通过本研究，预期可以得到以下结果和意义：1. 设计和制作三分螺旋折流板换热器实验样机，进行对比实验，探究折流板结构对传热性能的影响。
2. 利用CFD方法建立数学模型，对换热器的流态和传热性能进行数值模拟，推导出传热系数和阻力系数的经验公式。
3. 分析换热器结构参数对传热性能的影响，提出相应的优化方法，为实际工程应用提供理论依据和实践经验。
四、研究进展目前，我们已经完成了三分螺旋折流板换热器实验样机的设计和制作，同时进行了初步的试验研究。
接下来，我们将开始进行数值模拟和理论分析工作，探究折流板结构对传热性能的影响，并进行优化设计。
预计本研究将在2022年6月完成。
