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周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能

点击:2175 日期:[ 2014-04-26 21:08:30 ]
                   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                (东南大学能源与环境学院,江苏南京210096)     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(ho/Δpo)与弓形折流板换热器的数值之比分别为1.122、0.566和2.035。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DOI:10.3969/j.issn.0438-1157.2012.05.005     中图分类号:TK 124       文献标志码:A文章编号:0438-1157(2012)05-1360-07     引 言     Lutcha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]。陈亚平等[8-11]在1/4螺旋折流板换热器基础上进一步提出了适合正三角布管的三分螺旋折流板换热器方案,并进行了相关研究。     螺旋折流板换热器能够降低流动阻力的效果受到一致公认,但对于是否能够提高换热器壳侧传热系数的问题存在分歧。部分试验结果显示其壳侧传热系数低于弓形折流板换热器方案,这对于用户来说意味着需要更多的换热面积和初投资,因而是不能接受的,不利于螺旋折流板换热器的普及应用。所以,本文提出了新的优化设计方法,并分析了新方法的强化传热机理。     1 螺旋折流板换热器三角区的漏流     螺旋折流板的倾斜角(一些文献称为螺旋角)大小无疑是影响换热器性能的主要因素,这方面已有许多学者进行了相关研究。另一方面,由于换热器的壳侧由非连续折流板形成的拟螺旋通道的相邻折流板之间存在三角区的漏流,也引起了不少专家学者的关注。Stehlik等[2]建议采用轴向搭接来减少此处的泄漏;孙琪等[12]采用激光测速仪测量了轴向搭接螺旋折流板换热器的冷态流场特性,认为轴向搭接有利于强化传热;陈亚平[8]则认为轴向搭接是一种不合理的设计。考察图1可知,轴向搭接方案将原来的一个大三角形缺口变为两个较小的三角形缺口,貌似缩小了泄漏面积,实质上则是在外侧的三角区开启了一条指向下游通道的旁通捷径,将严重影响绕行主流的流动与传热。随后进行的油-水[8],水-水[9]传热性能试验都表明轴向搭接尽管增加了折流板数量,制造费用增加,但无论是壳侧传热系数还是单位压降的壳侧传热系数综合指标,折流板轴向搭接方案都不如同样倾斜角的首尾相接方案。                   王良等[13]试图采用阻流板来堵住相邻折流板的三角形缺口,但试验得出的结果表明虽然其壳侧传热系数有所提高,但其压降增大更多,因而其综 合指标反不如没有堵缺口的方案。曾敏等[14]转而进行了连续螺旋折流板换热器的研发,但出乎意料的是试验结果表明连续螺旋折流板换热器方案的综合性能反而不如非连续折流板换热器方案,甚至还不如弓形折流板方案。其中可能的原因在于连续螺旋折流板换热器的螺旋角不容易做大,严重偏离了最佳的角度。Wang等[15]进行了双壳程的复合型螺旋折流板换热器的数值模拟研究,将连续螺旋折流板换热器所不能利用的中心管区域利用起来,按弓形折流板通道布置一个壳程,结果表明在同样的压降下复合型方案比弓形折流板换热器方案传热量提高5.6%,流量提高6.6%。可见上述研究方案虽然复杂,但效果并不佳,实用价值不大。     针对相邻折流板之间的三角形区可能发生的逆向泄漏,宋小平等[16-17]设计了一种防短路的折流板结构,将扇形折流板的两条直边加宽。此方法经试验结果表明其传热性能有明显改善。并且认为这种重叠搭接方式,可以对流经管束的介质起到良好的引导作用,减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路,确保换热效率的提高。由于有同一排换热管穿过相邻两扇形板,强化了管束刚性,避免了象限间分离的趋势。同时有重叠部分的螺旋折流板结构将起到良好的防振效果。然而在1/4螺旋折流板换热器的框框下,上述防短路的折流板结构只能适合于正方形布管方案,却无法适合正三角形布管的方案。因为1/4螺旋折流板用于正三角形排列布管时,折流板的直边与正三角形排列布置管束的自然间隔不符,每块折流板至少有一条边所在的部分管子会出现半个孔的情况,当然就不能满足相邻折流板之间包含一排管子的条件。     正三角形布管是绝大多数换热器所采用的高效、紧凑的优先布管结构。本文介绍一种把周向重叠的防短路结构与正三角形布管相结合的周向重叠三分螺旋折流板换热器方案,具有更高的应用价值。     2 周向重叠三分螺旋折流板换热器     陈亚平[8]提出的三分螺旋折流板换热器方案主要有两种对称布管方式:分区布管方案和周向重叠布管方案,如图2所示。已经完成的试验表明,前者的最优方案之综合性能(ho/Δpo)比弓形折流板换热器方案提高幅度油-水为36.8%,水-水为64.4%;而后者的最优方案之综合性能(ho/Δpo)可比弓形折流板换热器方案平均提高100%左右。由于两者都是在20°倾斜角处获得最佳值,因此周向重叠与否是两者性能差异的关键因素。可见周向重叠方案对传热强化的增益是巨大的。                   周向重叠三分螺旋折流板换热器强化传热的机理主要有以下几方面:(1)螺旋折流板通道消除了流动死区。(2)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,同时外围静压大于中心部分,在径向压差的作用下,流体将沿折流板附近流速较低的区域返回轴心,产生二次流迪恩涡。迪恩涡将产生揉面团的效应,增强流体之间的混合,从而强化传热[11]。(3)采用正三角布管在相同管间距下可以比正方形布管增加约15.5%的布管数量,同时在正三角布管管束之间的流动是错排的,对传热强化更有利。(4)周向重叠方案抑制了在相邻折流板交接处的逆向泄漏。在图3所示的三角区处,静压力较低处的流体挟速度头动压由下而上流向静压力较高的上游通道内,若三角区处相邻通道内的静压差小于速度头动压,就可能流向上游通道;反之则可能出现通过此三角区的逆向漏流。流向上游通道的后果只是增大流量,延长流体逗留时间,对传热是有利的;而逆向漏流形成了流体的短路,必然影响主流通道的换热。由于周向重叠方案在三角区存在一排管子,可形成对相邻通道压差泄漏的阻尼作用,因而可抑制逆向漏流,所以,将这种结构称为防短路结构是有道理的。最后,用非连续的倾斜扇形平板替代曲面连续螺旋折流板不仅使制造工艺的可行性提高,而且避免了连续螺旋折流板方案的中心管所占空间对布管面积的减少,同时折流板的间断有利于抑制边界层的增大,促进主流区与壁面区流体的混合。     三分螺旋折流板换热器的周向重叠布管折流板结构与宋小平等[16-17]提出的防短路方案是异曲同工,区别只是折流板的投影相对于整个换热器横截面是三分(扇形折流板的投影夹角120°)还是四分(扇形折流板的投影夹角90°),因而分别适合于正三角形布管和正方形布管。     3 换热器性能试验装置     在现阶段尽管数值模拟研究越来越普遍,但试验依然是判断换热器性能优劣的唯一权威手段。本次换热器性能试验是利用课题组与某企业合作建造的换热器性能试验台实施的。该性能试验台配备的测试仪表精度极高,质量流量计的精度为0.1级,铂电阻的精度为±0.15℃,压力传感器的精度为0.1级;试验状态控制方便准确,参数达稳快,热平衡偏差通常在-3%~+5%范围内。该试验台有风冷和水冷两种冷却源,有油、压缩空气、水和乙二醇水溶液4套热流体系统;可以对冷热流体之间的任意组合以及2种或3种热流体对风的复合式换热器进行传热和流动阻力性能试验。在本试验中两侧流体均为水,热水走管程,冷却水走壳程。采用在壳侧冷却水出口再串联一个板翅式换热器,通过风洞冷却的方法,通过变频器调节风机流量来控制进水温度。试验系统流程如图4所示。                   试验件换热器的壳体是公用的,管束芯体可更换,管程和壳程都是单程,逆流布置。换热器壳体内径Φ126mm,折流板外径Φ123mm;传热管子Φ10mm×1mm×1196mm,正三角形布管34根。图5显示了试验件管束芯体图片。对周向重叠倾斜角为20°、24°、28°和32°的单头螺旋折流板、32°双头螺旋折流板和弓形折流板换热器(图5从左到右)进行了性能试验。                  4 周向重叠三分螺旋折流板换热器的试验结果与分析     从试验测量获得的换热量Q和对数平均温差Δtm可求得总体传热系数K                   式中 A为换热面积。管内水侧的传热系数hi可用Dittus-Boelter公式[式(2)]估算求得,水的物性都采用温度为自变量的多项式拟合,用进出口平均温度对应的数据。然后根据式(3)分离出壳侧的传热系数ho。由于是新换热器,可不计污垢热阻,只需扣除管壁热阻。壳侧压降Δpo需要从测量值中扣除进出口处的局部阻力损失。                  图6~图8分别是总体传热系数K、壳侧压降Δpo、壳侧传热系数ho随壳侧流量Mo的变化曲线。由图可见,弓形折流板方案具有最高的压降,但其总体传热系数和壳侧传热系数都排列第二位;而倾斜角20°螺旋折流板方案的总体传热系数和壳侧传热系数都排列第一,其压降在大部分区域都排在第二;在试验参数范围内,螺旋折流板方案的总体传热系数和壳侧传热系数以及压降都是随着倾斜角的增大而减小;倾斜角32°的双头螺旋折流板方案(2-32°)的壳侧传热系数和压降都大于单头倾斜角为32°和28°方案的数值。                                 图9显示了壳侧传热系数ho随壳侧压降Δpo的变化曲线。图10是壳侧单位压降的传热系数综合指标ho/Δpo随壳侧流量Mo的变化曲线。由图可见,弓形折流板换热器方案的综合指标最差,明显低于其他螺旋折流板换热器方案。图11是与弓形折流板方案对比的综合指标比值(ho/Δpo)/(ho/Δpo)seg随壳侧流量的变化曲线。由图可见,最佳方案是倾斜角20°螺旋折流板方案,然后是24°、28°和双头32°的方案,单头32°的方案的综合指标较低,但其综合指标比值(ho/Δpo)/(ho/Δpo)seg的平均值也有1.522;在壳侧流量增大时,20°螺旋折流板方案的综合指标比值几乎不变,其他各螺旋折流板方案的综合指标比值则都有所增大,但差别变小。20°螺旋折流板方案的壳侧传热系数、压降和综合指标(ho/Δpo)平均值与弓形折流板方案的数值之比分别为1.122、0.566和2.035。                  双头螺旋折流板方案的传热性能优于同样倾斜角的单头螺旋折流板方案,两者的壳侧传热系数、压降和综合指标(ho/Δpo)的平均比值分别为1.36、1.26和1.09。由于双头螺旋折流板方案具有减小管束支撑间距,有利于避免管束振动破坏等优点,因此这项结论对于大型换热器尤其重要。     上述试验结果表明,在本试验范围内对于周向重叠三分螺旋折流板换热器来说,最佳的倾斜角在20°左右,而不是如一些文献对1/4螺旋折流板换热器的研究得出的40°左右。这对于倾斜折流板的加工具有指导意义。此结论是否适合于更大尺寸的换热器还有待进一步的证实。     5 结 论     (1)三分螺旋折流板方案是非常适合正三角形排列布管的换热器方案;折流板周向重叠能抑制相邻折流板三角区的逆向漏流,是强化传热的有效手段。周向重叠三分螺旋折流板换热器能同时满足以上两个条件,有效地改善传热性能。     (2)试验结果表明,20°倾斜角的周向重叠三分螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比不仅壳侧压降减小而且壳侧传热系数亦可提高,其单位压降的传热系数这一综合指标的平均值是弓形折流板换热器的两倍;但其他倾斜角方案的传热系数则低于弓形折流板换热器方案,尽管压降都较低。     (3)双头周向重叠三分螺旋折流板方案的传热系数和单位压降的传热系数综合指标都优于相同倾斜角的单头周向重叠三分螺旋折流板方案,虽然压降有所增大。    符号说明 A———换热面积,m2 di,do———分别为管子内径和外径,m hi,ho———分别为管侧和壳侧的传热系数,W·m-2·K-1 K———总体传热系数,W·m-2·K-1 Mo———壳侧流量,kg·s-1 Q———换热量,W Δp———压降,Pa Δtm———对数平均温差,K λ———管材的热导率,W·m-1·K-1 λi———管侧流体的热导率,W·m-1·K-1 下角标 i,o———分别为管侧和壳侧 seg———弓形折流板 参考文献:略
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