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螺旋隔板换热器的研究现状及其应用点击：2020 日期：[ 2014-04-26 21:58:09 ] |
| 螺旋隔板换热器的研究现状及其应用 刘晓红 （广州航海高等专科学校轮机系， 广东广州 510725） 摘要：螺旋隔板换热器主要包括两种不同类型的结构形式，即没有中心管的非整体连续的螺旋隔板换热器和有中心管的整体连续的螺旋隔板换热器。总结了国内外学者对螺旋隔板换热器所做的主要研究工作，包括壳程流体的动力学研究、传热与压降性能研究和数值模拟，并介绍了整体连续型螺旋隔板强化管换热器在工业中的应用。最后，对螺旋隔板换热器的下一步研究工作进行了展望。 关键词：壳管式换热器；螺旋隔板；传热强化 中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1009- 9492 (2008) 07- 0052- 02 壳管式换热器是广泛应用于化工、石化、动力、制 冷等领域的重要热能交换设备。在欧洲，壳管式换热器 占市场份额的 42%。目前国内壳管式换热器主要采用弓 型隔板作为管间的支撑结构，在这种结构的换热器中， 流体在壳程呈 “Z”形流动，在隔板和壳体内壁相连处存 在流动死区；流体在隔板间分离引起动量的急剧变化而 造成压力的严重损失；在隔板与壳体和传热管与隔板之 间存在旁路流和泄漏流，降低了流体的有效质量流量， 这些缺点导致了壳管式换热器传热系数低、压降高。随 着金属材料价格的不断增长和节能工作低迫切需求，促 进了高效壳管式换热器的研究和应用。近年来，螺旋隔 板换热器作为一种新型的壳管式换热器形式，受到国内 外学者的广泛关注，并在工业中推广应用，取得了很好 的节能、节材经济效益。 1 螺旋隔板换热器的结构形式 从结构上看螺旋隔板换热器主要包括两大类：一类是 没有中心管，隔板为非整体连续的螺旋结构 （图 1）。这种 结构的螺旋隔板换热器是上世纪 90 年代初由捷克共和国 发明，随后在 ABB 公司进行了产业化 ［1］。其设计形式是： 每个隔板占据四分之一的壳体横截面，并与换热器的轴向 呈一定角度排列，相邻的隔板在边缘接触并在外围形成连 续的螺旋状结构，流体在壳程呈螺旋流动。另一类是设有 一根中心管，隔板为整体连续的螺旋结构 （图 2）。其设计 形式是隔板围绕中心管螺旋缠绕，形成一种整体连续的螺 旋隔板结构。 这种结构形式的螺旋隔板换热器。从目前的文献来 看，文献中报道最多的是没有中心管的螺旋隔板换热器。 2 螺旋隔板换热器的研究现状 螺旋隔板换热器的研究工作主要包括如下几方面：壳 程流体动力学研究、传热及压降性能研究、壳程数值模拟。 2.1 壳程流体动力学研究 D.Kral 等人 ［2］ 采用刺激- 响应技术 （stimulus- re- sponse techniques）对玻璃模型螺旋隔板换热器的壳程流 动特性进行了实验研究，流体动力学研究结果表明，流体 在壳程的螺旋流动类似于塞状流 （plug flow），几乎没有返 混和流动死区。 Wang Shuli ［3］ 采用激光多普勒测速仪 （laser Doppler anemometry）对有机玻璃模型螺旋隔板换热器的壳程流场 进行了测量，研究了螺旋角和流速的大小对速度分布和脉 冲速度的影响。结果表明，随着螺旋角的减少，线速度和 脉冲速度降增大，促进了传热，但压降也增大。总体来 看，最佳的螺旋角与壳程流体的雷诺常数有关。 2.2 传热与压降性能研究 D.Kral 等人 ［2］以水- 水换热为对象，研究了螺旋角的 大小对传热性能的影响，螺旋角的变化范围为 17°～44°。 结果表明，在相同的壳程压降下，螺旋角为 40°时壳程的 传热系数最高。作者认为，在螺旋角约为 40°时，边界层 流体近乎充分发展。 蔡志刚等人 ［4］ 以 5# 柴油- 水换热为对象，比较了螺 旋隔板和弓型隔板换热器的传热与压降性能，结果表明， 螺旋隔板换热器的阻力只有弓型隔板换热器的 30%。此外， 在相同压降下，螺旋隔板换热器的传热效率提高了 10%。 以上学者研究的传热管均为光滑管，为进一步提高螺 旋隔板换热器的传热性能，本实验室先后开展了螺旋隔板 与强化管搭配进行传热强化研究。赵晓曦等人 ［5］以柴油- 水换热为对象，研究了以菱型翅片管作为强化传热管型的 螺旋隔板换热器的传热与压降性能，并与光滑管进行了对 比，其所采用的隔板为整体连续的螺旋隔板结构。实验结 果表明，在相同流速下，螺旋隔板菱型翅片管换热器的壳 程传热系数比螺旋隔板光滑管换热器提高了 54%～108%， 而流动阻力系数降低了 5%～30%。 张正国等人 ［6］以润滑油- 水换热为对象，比较了螺旋 流条件下三维花瓣型翅片管与二维低翅片管的传热与压降 性能，所采用的隔板也是整体连续的螺旋隔板结构。实验 结果表明，在相同的润滑油体积流量下，螺旋隔板三维花 瓣型翅片管换热器的壳程传热系数比螺旋隔板二维低翅片 管换热器提高了 28%～48%，而压降却降低了 35%～75%。 2.3 壳程数值模拟 Andrews 和 Master ［7］ 采用三维计算流体力学 （CFD） 方法对 ABB 公司制造的螺旋隔板换热器进行了性能分析， 研究了螺旋角分别为 10°、25°、40°条件下螺旋隔板换热 器的壳程流动与压降性能。结果表明，随着螺旋角的增 大，流体更接近于塞状流，模拟的压降与 ABB公司螺旋隔 板换热器的传热关系式计算结果较吻合。 邓斌等人 ［8］ 采用多孔介质、分布阻力模型、阶梯逼 近技术对螺旋隔板换热器壳程的流动进行了三维数值模拟， 结果表明，在相同的进口内径和进口流量条件下，螺旋隔 板换热器的壳侧压降明显低于弓型隔板换热器，计算所得的进出口总压降与实验值之间的偏差大部分在 14%以下。 张少维等人 ［9］ 采用计算流体动力学分析方法建立了 螺旋隔板换热器的数学模型，并利用 CFD 分析软件 Fluent 模拟换热器壳程的流动特性，得到了换热器壳程的流场分 布，并与弓型隔板换热器壳程的流动特性进行了对比。 李大为等人 ［10］ 以水- 水换热器为对象，利用 Fluent 软件，对螺旋隔板换热器三维实体内的流体流动和传热进 行了数值模拟，重点研究了湍流条件下换热器壳程流体入 口的压降以及不同结构对压降的影响，并提出了入口结构 的改进方法。 3 螺旋隔板换热器的应用 广州赫尔普化工公司原异己烷油冷却器是由两台弓型 隔板光滑管换热器串连使用，在空间位置上重叠布置，总 换热器面积为 20m2。每台冷却器的主要参数为：壳体直径 DN=325mm，换热管为 Φ19mm×2.0mm 的碳钢光滑管，换热 管长 3 000mm。当异己烷油产能从 7 000 吨/年扩产到 10000 吨/年时，冷却器的热负荷为 240kW。夏季冷却水进 口水温为 33℃，壳程进口油温为 160℃时，出口油温在 52℃ 以上，已不能满足出口油温 40℃左右进入储罐的工艺要求。 因此，需对原冷却器进行重新设计，用一台整体螺旋 隔板低翅片管冷却器取代原二台串连冷却器。该冷却器的 壳体直径为 377mm，两管程结构。低翅片管采用 Φ19mm× 2.0mm 的碳钢光滑管进行加工，光管的总换热面积为 19m2。整体螺旋隔板的结构采用图 2 所示，螺旋隔板的中 心管外径为 108mm，低翅片管的照片见图 3。从空间尺寸 来看，一台 377mm 直径的冷却器比两台 325mm 直径的冷 却器明显减少。 该台异己烷油冷却器于 2005 年 5 月开始投入运行至 今，由于产能的扩大，热负荷值为 240kW，在此热负荷条 件下，异己烷油的入口温度为 160℃时，测得异己烷油的 出口温度为 40℃左右，达到工艺要求。 通过对改造前后两台油冷却器的总传热系数进行计算 可知，弓型隔板光滑管冷却器的总传热系数为 250W/m?2K， 而螺旋隔板低翅片管冷却器的总传热系数为 410W/m?2K， 总传热系数是弓型隔板光滑管油冷却器的 1.64 倍。 4 结语 通过螺旋隔板换热器在工业中的实际应用，证明其具 有高效的传热性能。未来的重点应是针对不同传热介质， 研究螺旋隔板与不同类型强化管之间的合理搭配，以充分 发挥螺旋流动与强化管的协同强化传热效果，进一步提高螺旋隔板换热器的综合性能。通过实验及理论研究，并结 合数值模拟，揭示螺旋隔板强化管换热器的传热强化机 理，获得传热与压降的关系式，用以指导工业设计。 参考文献： ［1］Lutcha J，Nemcansky J. Performance improvement of tubular heat exchangers by helical baffles ［J］ . Trans. IChemE， 1990，68：263- 270. ［2］Kral D，Stehlik P Van Der Ploeg，H J，et al. Helical baf- fles in shell- and- tube heat exchangers，Part I.，Experimental verification ［J］. Heat Transfer Engineering，1996，17 （1）： 93- 101. ［3］Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical baffles ［J］. Heat Transfer Engineering，2002，23 （3）：93- 101. ［4］蔡志刚，张国福，宋天民. 螺旋折流板与弓形折流板换热器 的性能比较 ［J］. 化学工程，2006，34 （4）：13- 15. ［5］赵晓曦，邓先和，陆恩锡. 螺旋折流板菱形翅片管换热器的 传热与流阻性能 ［J］. 化工学报，2003，54 （3）：388- 391. ［6］Zhang Z G，Fang X M. Comparison of heat transfer and pressure drop for the helically baffled heat exchanger combined with three- dimensional and two- dimensional finned tubes ［J］. Heat Transfer Engineering，2006，27 （7）：17- 22. ［7］Andrews M J，Master B I. Three- dimensional modeling of a Helixchanger [ registered trademark] heat exchanger using CFD ［J］. Heat Transfer Engineering，2005，26 （6）：22- 31. ［8］邓斌，吴扬，陶文铨. 螺旋折流板换热器壳侧流动的数值模 拟 ［J］. 西安交通大学学报，2004，38 （11）：1106- 1109. ［9］张少维，桑芝富. 螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模 拟 ［J］. 南京工业大学学报，2004，26 （2）：81- 84. ［10］李大为，沈人杰，高晓东，等. 螺旋折流板换热器数值模及 入口结构改进 ［J］. 高校化学工程学报，2005，19 （5）： 699- 702. |
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