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螺旋折流板换热器的发展现状及趋势

点击:2018 日期:[ 2014-04-26 22:00:27 ]
                                  螺旋折流板换热器的发展现状及趋势                                               许世民                               (河南中烟工业公司新郑卷烟厂河南新郑451050)     摘要:文章概述了螺旋流换热器的性能特点及结构发展,并介绍了连续螺旋折流板和断续螺旋折流板的加工工艺,指出了螺旋流换热器的发展趋势。     关键词:换热器;螺旋折流板;支撑结构;加工工艺     1.前言     管壳式换热器是石油、化工、轻工、食品、冶金及动力 等工业部门广泛应用的节能设备。相对水-水管壳式换热器 而言,一般壳程流体流速较低,换热热阻较大,因此增强壳 程换热效果显得尤为重要。近年来,人们采用各种各样的管 束支撑结构来改变壳程流体的流动形态,以求增强壳程换 热。其中螺旋折流板支撑结构以其高效传热、低流阻的特点 得到了人们的广泛关注。 螺旋流换热器是一种利用流体的涡旋流动来强化壳程传 热的换热设备。涡旋流动是流体沿一定螺旋角方向的曲线运 动,因而是一种以较少能量克服流动阻力的运动方式,在换热器中采用螺旋折流板结构时,可使壳程流场与温度场实现 协同而获得较高的强化传热效果[1]。目前,影响螺旋流换热器普及和推广的主要问题是螺旋曲面的设计和制造难度太大,且成本较高。     2.螺旋流换热器的特性     Lutcha J和Nemcansky J[2]首先提出了壳程流体作螺旋 运动可以强化传热,其壳程的管束支撑结构是用一系列的扇 形平面板替代曲面,相间连接从而在壳程形成近似的螺旋 面。该螺旋流换热器亦称为螺旋折流板换热器,如图1所示。 国内外近年来对其做了许多结构开发研究,均表明该种管束 支撑方式具有较好的流动与传热性能。     螺旋折流板基本消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街,提高有效传热温差;螺旋通道内柱状流的速度梯度影响了边界层的形成,使传热系数有较大增加;基本不存在流动与传热死区,尤其适宜于处理含固体颗粒、粉尘、泥沙的流体,如氮肥厂的造气系统等。对于低雷诺数(Re<1000)下的传热,螺旋折流板的效果更为突出。螺旋折流板不论用于单相流或两相流、低粘度或高粘度流体都有较好的强化传热效果,特别是采用强化管如低肋管与螺旋折流板结合,强化单 相流体传热和冷凝传热时效果更佳。                     在螺旋流换热器中,壳程介质流动方向与管束横截面之间的夹角定义为螺旋角β,它将直接影响壳程流体的流动及传热特性。Lutcha和Nemcansky的模拟实验表明:在螺旋角 较小(β<25°)时,螺旋折流板与弓形折流板的Nu比值接近 1.0,即螺旋流的换热效果与横向流相当;随着β的增大,特别是在25°<β<40°时,Nu比值随之迅速增加,并在β=40°时达到最大,后又随螺旋角β的进一步增大而迅速下降。国内外近年来的许多研究表明[3~4],该支撑具有较好的传热与流体阻力性能,与传统折流板相比换热效率提高。在气-水换热情况下,传递相同热量时,该换热器可减少30%~40%的传热面积,节省材料20%~30%。在相同换热能力下,压降也大幅度降低。     3.螺旋流换热器的结构发展     3.1后倾准扇形板螺旋流换热器     螺旋流换热器如图2所示,主体由壳体、管板、折流板、 阻流板、支持板、定距管组成,连续螺旋状的准扇形板及其 支持的换热管束构成拟螺旋流动系统。螺旋折流板换热器较传统的弓形折流板换热器无疑是一次重大变革。但已有的螺 旋折流板换热器尚存在不足,如由于折流板与轴所在的平面 垂直,与规范的螺旋通道存在着差距,对轴向运动的流体存 在反压,所以流体突然转向会造成极大的能量损失,特别在螺旋角较大时更是如此。                        将螺旋折流板所在平面与其投影平面的夹角定义为侧倾 角α。在此基础上,将螺旋折流板再向流体流动方向即轴向 后倾某个角度,该角定义为后倾角β。α和β同时存在的螺 旋折流板较之只存在β的螺旋折流板的加工毫不复杂,均为 一次成型,且α的存在可减少流体轴向运动的阻力,对螺旋 折流板的结构是一次再优化。     陈世醒等[5]所研究的新型螺旋折流板换热器的特征是: 折流板为带有侧倾角α和后倾角β的准扇形板。按圆心角θ 将圆周做S等分(S为不等于1的自然数),一个螺距的螺旋 折流板由S块准扇形板顶角搭接而成,每两块准扇形板之间 辅以1块三角形阻流板,α和β同为螺旋折流板的特性参 数:0°≤α≤45°,0°≤β≤45°。侧倾角α和后倾角β可实 现对螺距的双重调节,为了保证螺距的合理性,二者之和应不大于60°。     后倾准扇形板结构可减小常规螺旋折流板对流体的反压,α和β可实现对螺距的双重调节,同时减轻阻流板面积较大时流体流动所产生的类似弓形折流板的局部阻力。此种折流形式可以保证在极大限度降低阻力的同时提高传热效率,使单位压降的传热系数即换热器的换热与阻力综合性能得以提高,从而达到节能及节材的目的。     3.2断续螺旋折流板换热器     对于大型换热器来说,螺旋支撑元件加工困难,而且如果用连续全螺旋支撑,则其穿管难度很大。若用断续螺旋折流板代替全螺旋折流板,如图3所示,其难度将会大大降低。因此,在管壳式换热器中应用断续螺旋折流板,并对其传热及流阻进行研究是有意义的。                        管束上安装了断续螺旋折流板之后,当壳程流体进入第一段螺旋折流板通道后,开始呈螺旋形流动。其速度可以分解为两个分量,一个沿管轴方向,促使流体沿管轴向前流 动;另一个垂直于管轴方向,促使流体绕管束旋转流动。垂直轴方向的流动可以加强对管束的冲刷,破坏传热边界层, 使传热强化;而管轴方向的流动则可以促进流体的进一步扰动,而且本身冲刷管壁,这样就使得传热得到进一步的强化。当流体从螺旋折流板通道出来后,没有了折流板的限制,开始由螺旋流向纵向流转变,但是很快又会进入后面的螺旋折流板通道,重新开始呈螺旋形流动,重复前述的流动及传热的特征,直至流出换热器。     吴国辉等[6]以水为工质,进行断续螺旋折流板与弓形折流板换热器的对比实验研究,从而探讨将断续螺旋折流板应用于管壳式换热器中的可能性。实验证明,断续螺旋折流板比弓形折流板的对流换热系数和总传热系数均有提高,但是流动阻力也相对增大,这是因为在断续螺旋折流板换热器壳程,流体由螺旋流冲刷转变为纵向流冲刷,之后又由纵向流冲刷转变为螺旋流冲刷,流体方向的多次转变造成了流动阻力的增加。因此,为使其能在工程中得到应用,还应在减小 流动阻力和结构优化方面做进一步研究。     3.3 螺旋隔板换热器     壳程流体纵向流型换热器的缺点是,因壳程流速的限制 而影响传热性能的进一步提高。为此,ABB公司开发出了最为优越的螺旋隔板换热器。其设计原理是:将圆截面的特制 板安装在螺旋折流系统中,每块折流板占换热器壳程中横剖面的1/4,倾角朝向换热器的轴线,与换热器轴线保持一倾斜度,这种独特的设计避免了流体的流动死区和返混,大大地提高了换热器的换热效率。螺旋隔板换热器的主要优点是 介质在壳体内连续平稳螺旋流动,避免了横向折流产生的严重压力损失;壳程流体做螺旋前进,在径向截面上产生速度梯度,形成径向湍流,使换热管表面滞留底层减薄,有利于提高膜传热系数;不存在死区,可减少污垢沉积[7]。     3.4进出口改进的螺旋折流板换热器     对于传统的螺旋折流板换热器壳程入口结构,流体都是垂直流入壳体内,这样流体在入口处由于流动方向的改变,将造成一个较大的局部阻力损失。为了减少换热器壳程入口处压降,对螺旋折流板换热器壳程入口结构进行改进,将流 体垂直流入壳体改为入口与壳体形成一定角度。倾斜入口结构的最优入口角度是由螺旋折流板的角度决定的,它应与螺旋折流板的倾斜角一致,使流体基本沿其在壳程的流动方向 进入壳程,即保证壳程流体沿着螺旋折流板切向流入换热器。李大为等[8]对进出口结构改进后的螺旋折流板换热器进行了数值模拟。螺旋折流板换热器壳程内部流场是一个螺旋式流动,虽然其中的机理很复杂,但基本上应归于旋流对雷 诺应力的影响,这种影响提高了法向应力的各向异性。而雷 诺应力模型能成功捕捉螺旋流的特性,真实反映流场的变化,在模拟时就采用雷诺应力湍流模型。模拟结果表明,采用倾斜入口结构时进口处压力降比采用垂直入口结构时低 52%以上,且流量越大,这种降低效果越明显。可见,螺旋折流板换热器采用这种倾斜进出口结构会降低整体压降。     3.5螺旋折流片式换热器     东南大学梅娜等[9]提出了一种螺旋折流片式换热器方案,即在部分传热管上套上螺旋折流片,类似于螺旋翅片,用来产生涡旋流场以强化管外换热,如图4所示。这种新型结构把制造难度大的包含整个管束的大型螺旋曲面简化为制 造容易的围绕单根管子的小型螺旋面,将流体在壳程总体的 螺旋运动变为局部的螺旋运动,因而可用低成本、低能耗并且是无功强化的方式获得较高的强化换热效果。在换热器壳 程中,螺旋折流片增加了流体的流通路径,提高了流动速 度;螺旋折流片与传热管的接触也对强化传热有利,如用在冷凝器时对凝结液有引流作用;对于沸腾过程有利于形成气泡生长的凹穴区域;螺旋折流片还可以对管束起到支撑和保持相邻管间距的作用。螺旋折流片分左旋和右旋,相邻两管的螺旋折流片旋向应相反,这样可使相邻的螺旋折流片所产生的涡旋流动的动能互相加强。                                螺旋折流片方案很容易与其它强化换热方案结合使用。基管可以采用各种结构的强化换热管,还可以与折流栅结合使用。利用FLUENT对单管壳程流场、温度场进行模拟,结果显示折流片诱导产生的局部涡旋运动能强烈地搅动流场, 对于减薄边界层、促进近壁流体与主流体的动量和质量交换进而强化换热有明显作用,传热系数比光管可提高 40%~100%,但是其流动阻力也将增大,故使用时应综合考虑,做出优化选择。     4.螺旋折流板的制造工艺     4.1断续螺旋折流板制造工艺     由于螺旋曲面的加工难度较大,所以目前所采用的螺旋 折流板大部分都是不连续的近似螺旋曲面。断续螺旋折流板 可按照如下方式来设计和加工:     按圆心角将螺旋线投影的圆周做2n等分(n为自然数), 一个螺距HS的螺旋折流板由2n块扇形平面板相间连接成 的螺旋面组成,在换热器壳体有效长度L内设有Z块扇形板 (Z≤2nL/HS,取整数)相间连接构成连续的螺旋面。可以看 出,螺旋折流板可近似地实现壳程流体做螺旋状流动,与严 格的螺旋面相比,其壳程螺旋流动的截面积并非均匀不变。 在流道中由于截面收缩及扩大会增加不必要的阻力损失。当 n=1时,一个螺距的螺旋折流板由2块半椭圆折流板搭接而 成;当n=2时,由4块扇形平面板搭接而成。n越大,折流板数越多,所组成的螺旋面越接近于严格的螺旋形曲面。一 般来说,考虑到加工上的方便,取n=1或者2。因此,相邻 折流板之间会形成三角区,三角区中会形成流动短路。要防 止短路,可采用阻流板将三角区封死,但这会使制造工艺复 杂化,同时流动阻力大大增加。很明显,这种近似螺旋曲面 往往与真实的曲面相去甚远,使壳程流动偏离真实螺旋流动,从而影响换热器的传热性能和流动阻力。     4.2连续螺旋折流板换热器制造工艺     连续螺旋折流板的制造思想是,将连续的螺旋面分解成许多个周期的螺旋片,一个周期的螺旋片沿高度方向升高一个螺距,沿角度方向逆时针旋转2π,然后将多个周期的螺旋片搭接起来,螺旋片之间首尾相接,从而形成连续的螺旋面。这样的加工方法避免了整体螺旋面加工的复杂性,同时又使得螺旋折流板的加工比较方便的实现,可以降低加工成本。螺旋片可以采用模具压制,之后采用模具钻孔。但模具的适应能力比较差,不同几何参数需要使用不同的模具,这会增加设备投资。螺旋片也可以采用比较简单的拉制方法, 用拉床将剪开的圆环片拉制成所需要的螺旋片,之后用键槽铣刀划窝定位,然后再用长钻头钻出预定的孔[10]。换热器的组装可以采用普通弓形折流板的组装方式。     5.螺旋流换热器的发展趋势     螺旋流换热器的强化传热效果已人所共知,尤其是具有良好的防垢特性而特别适用于对易积垢、高粘度介质(如原油、渣油等)的强化传热。国外已有许多应用实例,但相关理论研究报道甚少。国内也有螺旋流换热器在石化行业的应用,但对其流动和传热特性的研究尚很不充分。国内制造的螺旋流换热器成本较高且螺旋折流板搭接处泄漏严重,说明螺旋折流板的制造及装配等工艺问题仍有待进一步完善。 参考文献: 1.过增元,黄素逸.场协同原理与强化传热新技术[M].北京: 中国电力出版社,2004 2. Lutcha J,Nemcansky J.Performance improvement of tu- bularheatexchangersbyhelicalbaffles[J].TransIchem E,Part A,1990,68(5):263~270 3.陈世醒,张克铮,张强.螺旋折流板换热器的开发与研究(1)-高粘度流体下的中试研究[J].抚顺石油学院学报,1998, 18(3):31~35 4.张克铮,陈世醒,张强.螺旋折流板换热器的开发与研究(2)-低粘度流体下的中试研究[J].抚顺石油学院学报,1998, 18(3):36~38 5.陈世醒,张振华.一种特殊形式的螺旋折流板换热器[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(1):61~63 6.吴国辉,黄渭堂,孙中宁.断续螺旋折流板在管壳式换热器中的应用[J].应用科技,2005,32(4):45~47 7.刘晓红,徐涛,张正国.管壳式换热器强化传热研究进展[J]. 广州航海高等专科学校学报,2005,13(2):19~22 8.李大为,沈人杰,高晓东,等.螺旋折流板换热器数值模拟及入口结构改进研究[J].高效化学工程学报,2005,19(5): 699~703 9.梅娜,陈亚平,施明恒.螺旋折流片换热器壳侧传热与流动 的数值模拟[J].工程热物理学报,2005,26(2):310~312 10.彭波涛,曾敏,王秋旺,等.连续螺旋折流板换热器制造工艺探讨[J].第二届新型传热技术和设备研讨会会议论文集, 2005,11:78~81 
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