特种材料螺旋折流板高效换热器的研究

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。

三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热性能研究开题报告一、研究背景和意义随着工业化的发展，换热器作为重要设备，广泛应用于化工、能源、冶金等各个领域。

而壳侧流动和传热性能是换热器性能的重要指标之一。

传统的壳管式换热器具有结构简单、可靠性高等优点，但其传热效率不高，相应的流阻大，未能满足现代工业生产对换热器的高效、节能要求。

因此研究新型换热器，提高其传热效率和流动性能，具有重要的意义。

本文选取三分螺旋折流板换热器作为研究对象，通过对其壳侧流动和传热性能进行研究，探讨其适用范围以及可行性，为现代工业生产提供一种高效、节能的换热器解决方案。

二、研究内容和方法（一）研究内容1. 探究三分螺旋折流板换热器结构特点和原理2. 分析三分螺旋折流板换热器壳侧流动特性3. 探究三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能的影响因素4. 对不同工况下的三分螺旋折流板换热器进行比较分析，探究其适用范围（二）研究方法1. 文献资料法：采集相关文献，深入研究三分螺旋折流板换热器的结构和原理，了解其壳侧流动和传热性能的特点和影响因素。

2. CFD仿真法：采用Fluent软件对壳侧流动和传热性能进行数值模拟，分析不同工况下的换热器壳侧流动和传热性能。

3. 实验研究法：采用实验室现有设备，对不同工况下的三分螺旋折流板换热器进行实验研究，验证数值模拟结果。

三、研究预期结果通过本文的研究，预期得到以下结果：1. 探究三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热性能的规律和特点。

2. 确定三分螺旋折流板换热器的适用范围，为工业生产提供高效、节能的换热器解决方案。

3. 提出优化方案，进一步提高换热器的流动和传热性能。

四、论文结构安排本文将分为六个部分，分别为绪论、文献综述、研究对象和方法、数值模拟结果分析、实验结果分析和结论与展望。

具体结构安排如下：1. 绪论(1) 选题背景及意义(2) 国内外研究现状(3) 研究内容2. 文献综述(1) 传统换热器的结构和原理(2) 三分螺旋折流板换热器的结构和原理(3) 壳侧流动和传热性能的影响因素3. 研究对象和方法(1) 研究对象的选取(2) 研究方法的设计4. 数值模拟结果分析(1) 壳侧流动特点的分析(2) 壳侧传热性能的分析(3) 不同工况下的比较分析5. 实验结果分析(1) 实验设计和操作流程(2) 实验结果的分析和比较6. 结论与展望(1) 结论和总结(2) 存在的问题和不足(3) 展望和未来工作计划五、可行性分析本文选取的研究对象三分螺旋折流板换热器在实际工业生产中应用广泛，本研究的目的是提高其壳侧传热效率和流动性能，具有现实意义。

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。