连续型螺旋折流板换热器结构及性能研究

点击：1956 日期：[ 2014-04-26 22:00:24 ]

连续型螺旋折流板换热器结构及性能研究宋义鑫谭羽非 (哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江　哈尔滨　150090) 摘要：连续型螺旋折流板换热器一直受限于加工工艺而未能得到广泛应用,本文提出采用加装中芯管的方法,实现了连续型折流板的加工,并给出了连续型折流板螺旋升角和螺旋包络面的计算方法。利用Fluent软件,与现今应用较广泛的1/4椭圆形折流板换热器的流动和换热特性进行模拟比较。结果表明,连续型折流板换热器换热能力提高了近一倍,综合性能系数也提高了近30%, 虽然1/4椭圆折流板压力降较小,但其折流板的漏流,也严重降低了传热能力。为在工程中推广应用连续型螺旋折流板换热器,本文提供了理论依据和技术支撑。关键词：连续型螺旋折流板;结构及性能;换热系数;压降;数值模拟中图分类号：TK124　文献标识码：A　文章编号：1002-6339 (2009) 03-0229-04 螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器的主要区别是通过改变壳侧折流板结构,使流体由原来的折返式流动变成连续的螺旋状流动,以螺旋流方式冲刷传热管束。这种流动方式尤其适用原油、渣油等高粘流体的换热,能大幅度降低压降,控制由于振动造成结构的破坏,减少污垢沉积,显著提高换热效率,因此在石油化工行业获得广泛应用〔1〕。目前工程中应用的螺旋折流板换热器,由于受螺旋面加工工艺限制,大都采用若干块椭圆形或扇形平板搭接成近似的螺旋曲面,构成非连续型螺旋折流板换热器,这种换热器由于在两块折流板之间存在三角区,形成严重的漏流,使换热器壳侧流动偏离螺旋流动,严重地降低了换热器的换热性能〔2〕。本文阐述了与大庆天能波纹管制造公司共同研制开发的连续型螺旋折流板的加工工艺及设计;通过数值模拟,对比分析了连续型螺旋折流板换热器和1/4椭圆形折流板换热器的流动和换热特性。 1　连续型折流板的加工及设计采用加装中芯管的方法,实现了连续型折流板的加工,同时给出了折流板螺旋升角和螺旋包络面的计算方法。 1·1　加装中芯管由于折流板螺旋面中心处的螺旋升角达到90°, 使螺旋面加工时无法钻孔,采用加装中芯管的方法, 如图1所示,选取直径与各片折流板内孔径相同的中芯管,将钻孔后的折流板套装在中芯管上,用定距杆调整固定螺距,电焊连接折流板与中芯管,加工形成连续型折流板。对折流板钻孔时,需将管板中间夹压若干块压制成形的螺旋折流板,调准螺旋折流板的螺旋升角, 为保证同心度和垂直度,用模块、垫铁将螺旋升角处的间空垫平,而后用压板将管板压紧在钻床工作台上,用长杆钻头钻孔。钻孔后的折流板与中芯管连接时,为避免漏流,折流板之间的连续盘接采取光滑过渡无缝隙对接。加装中芯管不但降低了螺旋角角度,解决了因螺旋角过大而无法在螺旋面上钻孔加工的问题,同时为折流板安装起到了定心的作用。 1·2　螺旋升角β的确定如图2所示。将三角形ABC底边AB围成圆形,即点A与点B重合,线AB长度即为螺旋线投影圆周长,也是螺旋折流板制作中固定螺旋折流板的中芯管的周长;线BC为螺旋线螺距Hs ,也可以称为导程;线AC围成单螺距内的螺旋线。螺旋升角β计算公式为： 1·3　螺旋包络面的确定当一条与x轴重合,与z轴相交且垂直的直线作螺旋运动时,它经过的轨迹就是阿基米德正螺旋面,如图3所示。阿基米德正螺旋面方程为： 2　换热器壳侧流动和换热性能模拟分别以连续型螺旋折流板换热器和1/4椭圆形折流板换热器为研究对象,采用数值模拟方法,对两种换热器壳侧流动和换热特性进行模拟计算及分析。 2·1　几何模型采用Gambit软件,对两种换热器建立模型并划分网格。图4为连续型螺旋折流板换热器模型局部网格(为显示清楚,去掉了换热管,并将网格间距扩大)。由于壳侧流动主要受折流板和换热管束影响, 所以在建立几何模型时,没有考虑进出口接管以及定距管、拉杆等零部件对流体壳侧流动产生影响,并假定进出口流体处于充分发展段,换热管壁温为恒定。表1列出两种换热器结构参数。 2·2　计算方法及边界条件利用大型CFD分析软件Fluent,选用k-ε湍流模型,质量及能量计算残差控制在10-4数量级。计算流体进口采用入口条件,出口采用自由出流。流体介质为水,热水走管程,冷却水走壳程,给定壳程流体入口速度及相应的湍流条件,流体入口温度Tin =310 K,换热管壁温Tw=350 K。壳体壁面和折流板为不可渗透、无滑移边界。 2·3　模拟结果 2·3·1　壳侧压力降由图5可见,连续型折流板换热器壳侧压力降总是要高于椭圆形折流板换热器,随着流量的增加, 两者压力降的差距也随着增加。当壳侧最大流量为 2·5 kg/s时,连续型与椭圆形换热器壳侧压力降分别为63·9 kPa和42 kPa,前者为后者的1·5倍。究其原因,由于1/4椭圆形折流板由4块平板搭成近似的螺旋面,每块椭圆折流板搭接处必然有缝隙形成的三角区,该区域存在流体短路现象,如图6所示。换热器中心部的流体没有按照折流板的引导,像靠近壳壁侧流体一样作螺旋运动,而是从三角区沿轴向直接流到了下一螺距内,致使流体流动距离缩短,流道内流速减小,压力损失也就减小。流量越大,短路现象越严重,两者的压力降差距也就越大。 2·3·2　壳侧换热性能如图7所示,连续型折流板换热器较1/4椭圆形折流板换热器的换热能力平均提高了近一倍。如进口流量为1·25 kg/s时,连续型折流板换热器换热系数达5 667 W/(m2·K),1/4椭圆形折流板换热器仅为2830 W/(m2·K)。可见由于连续型折流板无漏流现象,相同流量下,流体在流道内流程长、流速高,Re就高,进而对流换热系数就大;另一方面,流体在连续折流板的引导下作理想的螺旋柱塞流,使得壳程的横截面出现一个速度梯度场,总体横向冲刷管壁流动强于椭圆形折流板引导的流体,这进一步提高了连续型折流板换热器的换热系数。换热设备换热能力越强,相同换热量下所需的换热面积就越小,因此连续型折流板换热器可减少设备的初投资。 2·3·3　综合性能系数压力损失和传热系数是换热器运行效能的重要参数,近年来,国内外许多学者提出了综合性能系数h/Δp,即单位压降下对流换热系数的比值。图8为综合性能系数随流量变化的关系。虽然连续型折流板换热器运行时压力降较大,但是由于其换热能力较强,综合性能系数要高于1/4椭圆形折流板换热器。前者综合性能较后者提高了近30%。 3　结论连续型螺旋折流板换热器一直受限于加工工艺而未能得到广泛应用,本文提出采用加装中芯管的方法,实现了连续型折流板的加工,并给出了连续型折流板螺旋升角和螺旋包络面的计算方法。通过对比分析连续型螺旋折流板换热器和1/4椭圆形折流板换热器的流动和换热特性,得出虽然1/4椭圆折流板压力降较小,但其1/4折流板的漏流降低了传热能力和换热器的综合性能等结论,为在工程中推广应用连续型螺旋折流板换热器,提供了理论依据和技术支撑。参考文献〔1〕王晨,桑芝富·1/4椭圆螺旋折流板换热器性能的数值模拟〔J〕·过程工程学报,2007,7(3):425-431· 〔2〕吴金星,朱登亮,魏新利·螺旋面的加工方法分析及工程应用〔J〕·机床工具技术,2006,(6):66-68· 〔3〕陶文铨·数值传热学〔M〕·西安:西安交通大学出版社,2004· 〔4〕张少维,桑芝富·壳程结构对换热器性能影响的数值研究〔J〕·石油机械,2005,33(9):24-36·

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