淺談新型螺旋板式換熱器傳熱性能

1、淺談螺旋折流板式換熱器傳熱性能及研究方向摘 要： 螺旋折流板換熱器是一種新型高效換熱器，具有殼程流動阻力小，換熱效率高，抑振和防垢性能好等優(yōu)點。目前普遍使用的螺旋平面折流板換熱器在相鄰兩塊折流板的直邊對接處存在 X 形的內(nèi)外兩個三角漏流區(qū)，嚴(yán)重影響了換熱器性能的提高。本文介紹了一種新的旋梯式折面折流板，替代平面折流板后，實驗結(jié)果各項傳熱性能參數(shù)均有所提高并且更節(jié)能。關(guān)鍵字：螺旋折流板換熱器 高效 旋梯式 節(jié)能Abstract: Spiral baffle plate heat exchanger is a new type of high efficiency heat exchanger,w

2、hich has the advantages of low flow resistance, high heat transfer efficiency, good anti vibration and anti fouling performance.At present, there are two triangular drain regions in the straight edge of the adjacent two block baffle plate, which has been widely used in the straight edge of the spira

3、l flat baffle plate heat exchanger,which seriously affects the performance of heat exchanger.This paper introduces a new ladder type folded plate fold flow plate, the alternative to planar baffle, experimental results of the heat transfer performance parameters were improved. Key words:Spiral baffle

4、 plate heat exchanger ; Efficient; Ladder type; Energy saving1 前言 隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷發(fā)展和能源問題的日益嚴(yán)重，必然帶來更多的高性能、高參數(shù)換熱設(shè)備的需求。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用,有時甚至是決定性的作用。目前在發(fā)達的工業(yè)國家熱回收率已達96%,換熱設(shè)備在石油煉廠中約占全部工藝設(shè)備投資的35% 40%。其中管殼式換熱器仍然占絕對的優(yōu)勢,約70%。其余30%為各類高效緊湊式換熱器、新型熱管和蓄熱器等設(shè)備，其中板式、板翅式、熱管及各類高效傳熱元件的發(fā)展十分迅速。傳統(tǒng)的管

5、殼式弓形折流板換熱器傳熱死區(qū)多，整體換熱效率低，殼程流體流動時橫向沖刷換熱管束，流動阻力大，從而動力設(shè)備消耗增大，同時容易誘發(fā)管束振動，容易產(chǎn)生結(jié)垢。螺旋折流板換熱器是 Lutcha等人于 1990 年首次提出的一種殼程強化傳熱的新型換熱設(shè)備，其基本設(shè)計思想是：在殼程采用沿殼體軸線展開的螺旋折流板結(jié)構(gòu)，螺旋折流板使換熱器中的殼程流體呈連續(xù)的螺旋狀流動，這種流動消除殼程流體的流動死區(qū)，強化了殼程傳熱，同時降低殼程流動壓力損失，減小換熱器動力能耗。此外，螺旋折流板換熱器還具有良好的抗振性能和防垢性能，特別適用于易結(jié)垢、高黏度的介質(zhì)，如原油、渣油等。對于螺旋折流板換熱器的流動和傳熱性能，國內(nèi)很多學(xué)者

6、做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)這種目前普遍使用的螺旋平面折流板換熱器在相鄰兩塊折流板的直邊對接處存在 X 形的內(nèi)外兩個三角漏流區(qū)，嚴(yán)重影響了換熱器性能的提高。文鍵等人又在原來的折流板式基礎(chǔ)上做了改進，用旋梯式折面折流板替代平面折流板，實驗結(jié)果表明，旋梯式螺旋折流板換熱器相比于螺旋平面折流板換熱器，各項傳熱系數(shù)及殼程壓降均有所提高。2 螺旋折流板換熱器2.1 螺旋折流板換熱器原理結(jié)構(gòu)螺旋折流板換熱器，國外稱HelixchangerTM換熱器，是ABB公司的新產(chǎn)品。在列管換熱器中，殼程通常是一個薄弱環(huán)節(jié)。美國ABB公司提出了一種全新方案，即建議采用螺旋狀折流板。其設(shè)計原理很簡單，將圓截面的特制板安裝在“虛擬

7、螺旋折流系統(tǒng)”中。每塊折流板占換熱器殼程中橫剖面的1/4，傾角朝向換熱器的軸線，與換熱器軸線保持一傾斜度。相鄰折流板的周邊相接，與外圓處成連續(xù)螺旋狀(見圖1a)。折流板的軸向重疊如圖1b所示，如欲減少支持管子的跨度，亦可設(shè)計成雙螺旋(見圖1c)。螺旋折流板換熱器的提出基于這樣一種思想：通過改變殼側(cè)折流板的布置，使殼側(cè)流體呈連續(xù)的螺旋狀流動。因此，理想的折流板布置應(yīng)該為連續(xù)的螺旋曲面。但是，螺旋曲面加工困難，而且換熱管與折流板的配合也較難實現(xiàn)。考慮到加工上的方便，采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋折流板)替代曲面相間連接，在殼側(cè)形成近似螺旋面，使殼側(cè)流體產(chǎn)生近似連續(xù)螺旋狀流動。這種結(jié)構(gòu)克服了普通

8、折流板設(shè)計的主要缺點。2.2 螺旋折流板換熱器分類螺旋折流板列管式換熱器結(jié)構(gòu)大體上分為連續(xù)螺旋折流板結(jié)構(gòu)和非連續(xù)螺旋折流板結(jié)構(gòu)兩大類（見圖2）。連續(xù)螺旋折流板換熱器的折流板形狀是自殼體進口向出口推進的完全螺旋面，介質(zhì)在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動連續(xù)平穩(wěn)。連續(xù)螺旋折流板換熱器比非連續(xù)螺旋折流板換熱器傳熱效果更好，應(yīng)用前景也更廣闊。非連續(xù)型螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)由2塊4塊1/4橢圓（以橢圓長、短軸為邊）或1/4扇形（以橢圓短邊為對稱線截取）自殼程進口處向出口處呈螺旋狀首尾相接組裝形成。殼程流體流動近似成螺旋狀（見圖3）。非連續(xù)螺旋折流板換熱器技術(shù)是國內(nèi)外比較成熟的技術(shù)，石化行業(yè)中已有應(yīng)用。連續(xù)螺旋折流板換熱器

9、比非連續(xù)螺旋折流板換熱器傳熱效果更好，應(yīng)用前景也更廣闊。圖2 螺旋折流板類型圖3螺旋折流板換熱器示意圖2.3 螺旋折流板換熱器存在的問題傳統(tǒng)的管殼式換熱器主要采用弓形折流板（見圖4），其存在沿程壓降大、易結(jié)垢、易形成流動死區(qū)和易誘導(dǎo)管束振動等缺點。螺旋折流板換熱器作為一種潛在的弓形折流板換熱器的替代品，基本上克服了傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的上述缺點。目前普遍的螺旋折流板換熱器殼程的折流板采用扇形平面板，四塊折流板組成一個螺距，且折流板傾斜于殼體軸線，沿著管束軸線方向按照近似螺旋線方式連接，使殼程形成近似螺旋面，流體產(chǎn)生近似的螺旋狀流動。但這種結(jié)構(gòu)在相鄰兩塊折流板的直邊對接處會形成X 形內(nèi)外兩個三角

10、漏流區(qū)，使得殼程流體形成短路泄漏，即部分流體由螺旋流變成軸向流，減少了主螺旋介質(zhì)流量，從而降低換熱器的換熱性能(圖 5)。針對三角漏流區(qū)的消除，很多研究者進行了大量的理論及實驗研究，Peng提出采用連續(xù)的螺旋形折流板來消除漏流，但此類折流板加工困難，特別是對于大直徑換熱器。王良用一塊平面三角板將三角區(qū)堵上，實驗發(fā)現(xiàn)加三角板后換熱效率基本不變，但是殼程壓降卻顯著增大。高曉東提出利用雙螺旋結(jié)構(gòu)來布置更多的折流板，以減少流體在扇形折流板的三角區(qū)漏流流體份額。但這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大。Chen和宋在折流板的兩直邊處同時加寬1排管距寬度，削弱了三角泄漏。Wang采用折面折流板以替代原始的扇形平面折流板

11、，消除了殼程邊緣區(qū)三角泄漏。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，換熱器總傳熱系數(shù)增加顯著，泵耗功率增量非常有限。圖4弓型折流板換熱器殼側(cè)流動示意圖圖5 扇形隔板3. 旋梯式螺旋折流板換熱器 王鍵等人后來又在原來的折流板式基礎(chǔ)上做了改進，提出了一種旋梯式折面折流板新結(jié)構(gòu)（見圖6），用旋梯式折面折流板替代平面折流板，并對旋梯式螺旋折流板換熱器及平面螺旋折流板換熱器的流動換熱性能進行了實驗對比研究。 3.1 旋梯式折面折流板結(jié)構(gòu)特點 旋梯式折面折流板由一塊大平板經(jīng)過兩次彎折后形成，其中包含 3個平面板。平面A和平面C與管束軸線垂直，平面 B與平面A和平面C的夾角相同，在殼體橫截面上投影為弓形折流板形狀。旋梯式折面折流板在

12、其兩側(cè)存在折彎面A、C，連接時能利用它們自身的折彎面結(jié)構(gòu)特點，使相鄰兩塊折流板密切接觸，從而封閉了三角漏流區(qū)(圖 6)。此外，旋梯式螺旋折流板換熱器由 2 塊折流板組成一個周期，定位安裝更加簡單和方便。 圖6 階梯式折流板3.2 旋梯式折面折流板實驗結(jié)果 螺旋平面折流板換熱器在相鄰兩塊折流板的直邊對接處會形成 X 形的內(nèi)外兩個三角漏流區(qū)，使部分流體由螺旋流變成軸向流，減少了這部分流體在換熱器的流動路程，即減少了換熱面積。且流體在泄漏處阻力小，速度較大，抑制了流體的螺旋流。旋梯式螺旋折流板換熱器消除了三角漏流，增加了主螺旋介質(zhì)流量，殼程流體為更接近連續(xù)的螺旋流，切向速度及徑向速度都明顯增加。切向

13、速度產(chǎn)生離心力，在離心力作用下形成徑向的二次流，使流體擾動大幅度增加，邊界層減薄，徑向速度迫使流體往管束中心流，而此處有效換熱面積大，從而強化了換熱器殼側(cè)傳熱性能。 王鍵等人對旋梯式螺旋折流板換熱器及平面螺旋折流板換熱器的流動換熱性能進行了實驗對比研究，得出在實驗工況下，旋梯式螺旋折流板換熱器相比于螺旋平面折流板換熱器，總傳熱系數(shù)平均增加21.4%，而殼側(cè)傳熱系數(shù)平均增加27.3%，殼程總壓降增加了19.3%31.0%，而殼程管束壓降增加了68.1%86.9%。而換熱的增加量是泵耗增量的2個數(shù)量級。 換熱器熱性能因子均大于1.0，說明改善后的換熱器達到了強化換熱。綜合性能增加了14.8%24.

14、2%，平均增加19.5% 。對比的實驗數(shù)據(jù)說明旋梯式螺旋折流板換熱器傳熱性能各方面均有所提高。4. 小 結(jié)本文介紹了傳統(tǒng)的螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)分類及傳熱性能，及其本身存在一些結(jié)構(gòu)上的缺陷。又提出了一種新的旋梯式螺旋折流板換熱器，在折流板上有了新的升級，定位和安裝更加簡單方便，并詳細(xì)介紹了旋梯式螺旋折流板換熱器的各項傳熱系數(shù)及傳熱性能等方面的優(yōu)越性。本文的研究結(jié)果對于換熱器的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻1. 馬曉馳. 國內(nèi)外新型高效換熱器J.化工進展.2001,14(1): 49-51.2. 徐彬,張麥貴. 螺旋折流板換熱器在常減壓裝置中的應(yīng)用J. 石油化工設(shè)備, 2003, 32(

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