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三分椭圆螺旋折流板换热器点击：2003 日期：[ 2014-04-26 21:35:53 ] |
| 三分椭圆螺旋折流板换热器 陈亚平 （东南大学能源与环境学院，江苏南京210096） 摘要：螺旋折流板换热器是以很小的压降实现强化传热的新型换热设备，但已有的1/4椭圆螺旋折流板方案不适合用于占管壳式换热器绝大多数的正三角形排列布管方案。文中介绍一种新型螺旋折流板换热器，由每层3块三分椭圆折流板首尾相接而形成壳侧螺旋通道，每块折流板的边都位于管束的自然间隔中。由于每块折流板的基准边与椭圆之长轴重合或平行，并与正三角形排列布管的各管孔的一条中心连线平行；另一条边也与另一方向的管孔中心连线平行，因而其管孔的定位划线和制造容易实现。 关键词：螺旋折流板；换热器；正三角形排列布管；三分椭圆 中图分类号：TK284文献标志码：A文章编号：1001-5523(2008)05-0005-03 传统的管壳式换热器多采用弓形折流板，虽然具有结构简单和易于制造的优点，但存在着流动死区大、传热系数较低、流动压降较大，以及在缺口处管束支撑跨距较大，容易产生诱导振动影响使用寿命等缺点。为此折流杆和螺旋折流板等方案先后被提出，但前者在多数应用场合，特别是在低雷诺数下强化效果尚不如普通弓形折流板，后者对强化传热的效果虽然受到一致肯定，但是理论上螺旋折流板是曲面，其形状设计和管孔定位加工工艺都比较复杂。一种采用1/4椭圆扇形平面连接成的螺旋折流板换热器由捷克化工设备研究所Lutcha J等首先提出[1]，并受到较广泛的关注。 对于螺旋折流板换热器国内外都有不少学者进行了相关的理论与实验研究。Stehlik P et al.[2～3]对螺旋折流板换热器进行研究得出，相同条件下与传统弓形折流板换热器相比，换热器的传热系数提高1.8倍，流动阻力降低25%。Nasr M R J et al.给出了壳侧换热系数随螺旋角呈马鞍型的波动变化结果。陈世醒等[5~6]研究发现，对于高粘度油品，单位压降的壳程对流换热系数，螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的1.5倍；对于水这样的低粘度流体，单位压降的壳程对流换热系数，螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的2.4倍。宋小平介绍了十余台螺旋折流板换热器在炼油厂的应用情况[7]，使用结果表明，各种性能指标均优于原弓板折流板换热器，采用螺旋折流板换热器后的换热效率都有大幅度提高并减少了换热面积，减少金属消耗，从而降低装置的设备投资。 目前使用的螺旋折流板方案大多是以椭圆短轴为对称线截取的1/4扇形螺旋折流板方案[8～9]。但是，由于管壳式换热器中大量使用的是最为紧凑的正三角形排列布置的管束，而在倾斜的1/4椭圆扇形折流板上进行正三角形排列布管的管孔划线定位有很大困难，影响了这种类型折流板的普及应用。 然而，在1/4椭圆螺旋折流板方案问世后的二十多年里，还没有人就1/4椭圆螺旋折流板方案不适合正三角形排列布管之事进行质疑。其实如果反过来问什么形式的螺旋折流板方案适合正三角形排列布置的管束呢？相信很多人都会从三等分上去找答案。本文作者“检漏”发现了解决此问题的钥匙，并申请了一项国家发明专利。这将是一项实用价值巨大的发明，可使原先很难大规模应用的螺旋折流板式换热器具有了普及应用的可能，因为管壳式换热器占换热器总量的35%~40%,而其中正三角形排列布管的换热器又占90%以上。螺旋折流板式换热器已取得的应用成果表明，这种类型的换热器具有以极小的代价获得巨大收益的作用，所以本项具有中国自主知识产权的发明将对全世界换热器行业产生巨大影响。 1·三分椭圆螺旋折流板换热器方案 图1显示了三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器本体结构的立体示意图。 三分螺旋折流板管壳式换热器的折流板与管束布置方案有多种组合。首先根据是否划分三等分对称区域可分为分区布管方案和总体布管方案；其次按照折流板的裁剪方式可以分成以一条边平行于椭圆长轴的椭圆折流板方案和以两条直边与椭圆短轴的夹角相等的扇形折流板方案。每块三分椭圆折流板由一条椭圆曲边和两条直边构成，其中一条直边为基准边，另一条称为斜边。使每块折流板的基准边与折流板平面切壳体内圆柱面所形成的椭圆之半长轴重合或平行，并与该折流板包含的正三角形排列布管的一条管孔中心连线平行；斜边也与另一方向的管孔中心连线平行。 反映螺旋折流板管壳式换热器壳侧流体流动和传热相关的一个重要几何参数是折流板平面的倾斜角β，此外还有折流板的投影直径D与螺距Hs两个指标，三分椭圆螺旋折流板的倾斜角β与折流板的投影直径D和螺距Hs两个指标之间的关系可表示为： Hs=2.25Dtanβ（1） 图2为上述2种1/3折流板方案的螺距Hs随倾斜角β的变化关系，作为对比还列出了1/4扇形折流板和连续螺旋折流板方案的结果。在同样倾斜角下，1/3椭圆折流板的螺距分别只有连续螺旋折流板方案的0.716 2倍、1/4扇形折流板方案的0.795 5倍、1/3扇形折流板方案的0.866倍。 由于折流板的倾斜，三分椭圆螺旋折流板的基准边与斜边的夹角θ随倾斜角β的不同将稍大于120°。由图1可见相邻两块折流板之间有V形缺口，下游板的前缘边与圆截面的夹角为倾斜角β，而上游板的后缘边与圆截面的夹角为γ，V形缺口角为φ=β+γ。图3为上述角度与倾斜角β之间的关系。作为对照还列出了1/4扇形折流板方案的值。 对于正三角形排列布置管孔的方案，由于折流板的基准边与圆截面的夹角为倾斜角β，故与此方向垂直的尺寸不变，顺着此方向的尺寸则需要除以cosβ，所以对倾斜折流板上管孔的划线和加工还是比较容易的。折流板的两边位于管束的自然间隔中。通常正三角形排列布置管孔的方案的相邻两列管子之间的间距较小，相邻两块折流板的后一块板的前缘与前一块板的后缘在外圈首尾连续相接，且宜有少量重叠。重叠余量以方便钻孔且不干涉相邻管束为原则确定。 图4a显示了分区布管的方案，该方案的优点是区域内部布管对称，折流板设计比较方便，三分扇形螺旋折流板由于对称的要求宜选用分区布管；并且分区布管方案可以利用相邻分隔区域之间的间隔，在两端封头中布置分隔板，形成三管程管内流动，而壳侧为单程的换热器内三管程流动可比目前常用的偶数管程更接近逆流传热。对于总体均匀布管的情况，有两种三等分分隔方案，一种是管板中心无管位，使之刚好位于3个管孔的中心如图4b所示；另一种是沿管板中心布管的方案，如图4c所示。这是管壳式换热器最常见的管束排列方案。从三等分对称角度，需要将中心管排除在折流板之外。 考虑到实际布管方案的折流板形状可能是不对称的，因而在起名称时用了一个比较模糊的“三分”来代替“三分之一”或“三等分”等较精确的词汇。 2·本技术方案的优点 与现有技术相比，三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器具有如下优点： （1）壳侧流体由弓形折流板方案的蛇形流动变为本方案的螺旋流动。前者的流动方向不断改变，造成对传热没有贡献的局部阻力损失，而后者的流动方向基本不变，没有额外的阻力损失；避免了弓形折流板方案的流动死区和部分管束支撑跨距过大容易产生共振而造成振动破坏的问题。 （2）可以灵活地分隔区域，必要时用阶梯折线的方法。 （3）除了新设备可以采用本方案外，每年都有大量换热器在使用寿命到期后需要更换管束。本方案非常适合于利用检修期间仅更换管束，不需要更换壳体或改变配管或变换安装位置的技术改造。 （4）除了可用于强化单相强迫对流过程外，三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器的应用范围还可拓展到冷凝和沸腾过程。例如电厂的给水加热器壳侧为凝结过程，采用螺旋折流板有利于使液滴受离心力作用脱离主流而减薄液膜厚度，从而增强传热效果。又如核电站蒸汽发生器的壳侧为沸腾过程，采用螺旋折流板肯定比目前采用的花瓣孔支撑板更有利于促进气泡的升腾和脱离，因而有更高的膜传热系数。 3·结语 围绕螺旋折流板换热器已经进行了不少理论与实验研究，国内外都有不少实际应用。在核电、炼油、化工等行业目前已有数千台螺旋折流板换热器在荷兰、捷克、德国、意大利、俄罗斯、美国、日本、中东的工厂应用[7]。三分螺旋折流板的发明将有助于我国在此领域中脱颖而出，促进换热器行业在节能减排中作出更大贡献，作者期望能与相关企业合作将之付诸实际应用。 参考文献：略 |
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