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螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展点击：2164 日期：[ 2014-04-26 22:48:52 ] |
| 王秋旺 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 , 710049 , 西安) 管壳式换热器由于具有应用范围广、结构简单、造价低廉、清洗方便等优点而在石油、化工、炼油、核能利用等领域占据着重要地位 . 由于壳侧流体流动方向改变频繁 ,且存在漏流等现象 ,因此壳侧流动与换热是这种换热器的瓶颈所在. 弓型折流板换热器是最普遍应用的一种传统管壳式换热器 ,但它的弊端在于 : 沿程压降较大 ; 易出现流动死区、旁流和漏流 ,且容易积垢;较高的质量流速易诱 导换热管的振动 ,缩短了寿命.弓型折流板换热器壳侧流体流动示意图如图 1 所示 ,针对其壳侧流动的缺点 ,人们提出了螺旋折流板换热器的概念(图 2) ,并于 20 世纪 90 年代初由 ABB 公司开发出系列产品 ,在实际应用中取得了良好的效果 ,尤其对于高粘度流体效果更加突出.国内外近年来对这种换热器进行了一些研发工作. 本文将试图对这种换热器的研究现状进行讨论 ,并指出可进一步开展的研究方向. 1 螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式 螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置 ,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动.因此 ,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面.但是 ,螺旋曲面加工困难 ,而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便 ,采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接 ,在壳侧形成近似螺旋面 ,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动.一般来说 ,出于加工方面的考虑 ,一个螺距取 2～4 块折流板 ,相邻折流板之间有连续搭接(图 3a)和交错搭接(图 3b)两种方式 ,按流道又可分为单螺旋(图 3a、3b )和双螺旋(图 3c)两3b种结构. 文献[8]指出螺旋折流板换热器之所以强化传热是因为:一方面流体在壳侧的螺旋流动更加接近于柱塞状流动 ,提高了传热温差 ;另一方面 ,螺旋流动使壳侧流体存在半径方向的速度梯度并破坏了边界层 ,从而强化了传热. 同弓型折流板换热器一样 螺旋折流板换热器的研究也主要集中在壳侧流体动力学及其可视化 ,以及壳侧换热及阻力性能研究两个方面. 下面分别介绍这两方面的进展. 2 流体动力学及其可视化研究 在管壳式换热器中 ,流体在壳程有返混流和柱塞流两种形式. 图 4 给出了两种流动方式换热效果的比较 ,可见柱塞流的换热有效度明显优于返混流[8]. 在弓型折流板结构下 ,流体流过每一块折流板都会产生返混流 ,且滞止区内流体返混情况更加严重 ,因而传热温差较低.为了获得较好的综合换热效果 ,流体的流动应该更接近于柱塞状流动 ,即流体更多的是轴向流动而非径向流动. 最接近柱塞状流态的是采用折流杆结构的换热器 ,但这种结构存在比较厚的边界层 ,换热管周围的边界层不能被充分分离 ,其换热效果不佳[8]. 在螺旋折流板换热器中 ,壳程流体以螺旋状流过 ,其流动只有很少的返混 ,几乎没有死区 ,更接近柱塞流 ,同时由于受到离心力作用流体流过换热管后会形成脱离管壁的尾流 ,使边界层得到充分分离 ,因此换热效果较好. 文献[8]进行了壳侧的流体动力学试验 ,试件由透明有机玻璃制造 ,利用示波器并采用“激励 - 响应”技术 ,证实了上述分析. 研究表明 ,要使换热器的效能达到 70 %的水平 ,螺旋折流板换热器的传热单元数 NTU 只需214 ,而弓型折流板换热器则需要 418 (见图 5) ,即需要更多的换热面积 ,从而增大了设备的体积. 另外 ,对壳侧螺旋流动的试验表明[8] :对于以一定角度错流流过壳侧的流体来说 ,流体速度分布的不均匀会使其换热效果存在较大差异. 如图 6a ,图中纵坐标为以倾角β错流流动时的 Nu 数与流动方向垂直于管子轴线时Nu数的比值. 由图可见 ,两者比值随倾角β的增大而减小,即气流方向与管轴方向垂直(β=0°时对流换热系数最大. 当流体以一定)倾角错流流过换热管束 (图 6b) ,在倾角较小 (β<25°时 , Nu 数比值基本保持为 110 ,也就是换热效果)与完全错流(即横向冲刷,β= 0°时相当. 随着β的 ) 增大,特别是在 25°<β< 40°时, Nu 数比值迅速增加,并在β=40°时达到最大,即在 25°<β<40°时,其换热效果要比完全错流时好. 该文对此现象的解释为:当一根换热管被以一定的角度置于有一定速度梯度的非均速流体中时,流动失去了对称性,流体会不对称地从管子的两边分离,同时管子周围的边界层会产生螺旋状的流路. 这种现象使边界层减薄并增强边界层的扰动,从而增强了传热. 在某一螺旋角(β= 40°时 ,边界层流动达到充分发展 ,产生最佳的) 换热效果. 随着螺旋角的进一步增大,流速的轴向分量会使边界层厚度迅速增加,使传热迅速恶化. 值得指出,该试验没有考虑折流板的影响,也没有将非均匀流与均匀流以一定倾角流过管束时的换热效果进行比较,并且该试验是对气体展开的,对液体情况如何尚不得而知. 王素华等人采用激光多普勒测速仪测量了螺旋折流板换热器壳侧的流场,研究了螺旋角对速度分布和脉动速度的影响及其与流量的耦合关系[ 9 ,10] ,结果表明:在试验的螺旋角范围(30°～50°内,切向 )速度大于轴向速度. 螺旋角越小,切向速度越大,脉动速度对螺旋角很敏感,也随之增大. 王良对螺旋折流板换热器进行了冷态试验可视化研究[11] ,观察表明,在壳侧流量较小时,通过三角区的流动对流场的影响是不可忽视的. 滞止区大小随流量的增大而减小,即流量越大,流体更接近于螺旋流动. Stehlik 等人利用 Bell2Delaware 方法对弓型和螺旋折流板换热器的换热及压降修正系数进行了比较分析[12] ,将影响螺旋折流板换热器性能的各种因素归纳为若干因子,并且给出了各种因子的无因次准则曲线. 对螺旋折流板换热器而言,螺旋角越大,换热效果越差,要引入小于 1 的修正系数 (图 7a) ;同时,螺旋流动又使得湍流度增加,因此要引入大于 1的湍流修正系数(图 7b) . 二者的综合修正系数在螺旋角为 25°时开始增加,在 42°时达到最大,最大值是理想错流情况下的 1139 倍. 对压损而言,偏离理想错流的压降修正系数从螺旋角为 5°时开始,随螺旋角的增大而下降(见图 8a) ,由湍流引起的压降修正系数从 22°开始随螺旋角的增大而增大(见图 8b) ,二者之积的变化范围是 0126～0160,在 45°时达到最大值. 当流动为层流时,对压降所引起的湍流修正系数为 1. 3 壳侧换热及阻力性能研究 在螺旋折流板换热器中,垂直管束方向产生速度梯度的原因有二[ 8 ,13]: ①由螺旋流动产生的离心力的影响; ②切向的速度分量产生涡旋. 涡旋核心可以产生较高的速度梯度,从而增强换热. 文献[8]还对有无中心管的相同角度和结构(壳体内径与中心管外径之比为 513) 的螺旋折流板换热器进行了试验. 结果表明:在相同 Re 时,无论加热或冷却,使用中心管结构的 Nu 数都明显低于不用中心管结构的 (图 9) ,这是因为中心管的存在抑制了涡旋核心的产生 ,从而减弱了换热.流体流动方向与换热管束的倾角直接影响着流动特性及边界层厚度,因此也对壳侧换热效果产生重要的影响. 文献[8]和[13]进行了螺旋折流板换热器的换热及压降试验研究,试件螺旋角分别为 17°、24°、35 °、40 °、44 °,结果如图 10 所 24 35 40 44示.由图可见,一定的沿程压降下,螺旋折流板换热器壳侧换热系数大于弓型折流板换热器的,而且随着螺旋角的增大而增大,在 40°时达到最佳值,但文中并未报道试件具体结构、折流板搭接形式以及介质类型. 陈世醒等人对螺旋折流板换热器在高低粘度介质下的试验研究表明[15 ,16]:在试验流量范围 (5～10m3/ h) 内 ,弓型折流板与螺旋折流板换热器的壳侧换热系数相当 ,而前者阻力较高. 与螺旋折流板换热器相比 ,在流量上限 ,弓型折流板换热器阻力增大的百分率可达 350 % ,而壳侧换热系数仅增大 90 % ,在流量下限 ,阻力增大 148 % ,换热系数几乎不增大. 王良等人对螺旋和弓型折流板换热器进行了热态试验研究[11] ,试验介质为油(壳侧) 和水(管侧) ,并且考察了假管对螺旋折流板换热器传热与阻力性能的影响. 在相同的壳侧流量下 ,带假管的壳侧阻力高于不带假管的 ,而换热系数则低于不带假管的.文献[16]则对相同的壳侧流体进口流量下加阻流板与不加阻流板的试件性能进行了对比 ,结果发现 ,在相同压降下 ,不加阻流板的壳侧换热系数优于加阻流板的(图11) . 这主要是由于阻流板平面与流体流动方向几乎垂直 ,流体正向垂直冲击阻流板造成较大压降 ,甚至局部地区可能产生类似于弓型折流板的死区 ,因而使其换热与阻力的综合性能反而下降. 文献[17]将螺旋折流板与菱形翅片管结合成一种新型的高效换热器 ,既利用了螺旋折流板换热器传热效果好、流动压降小的特点 ,又发挥了菱形翅片管强化传热的独特优势. 结果表明 ,在 0122～0185 m/ s 的流速范围内 ,螺旋折流板菱形翅片管换热器壳侧换热系数在相同流速下与螺旋折流板光滑管换热器相比提高了54 %～108 % ,而流动阻力系数降低了 5 %～30 % ,可产生较好的强化传热和节能降耗效果. 4 螺旋折流板换热器的应用 螺旋折流板换热器的最大特点是单位压降下的壳侧换热系数高 ,这就意味着在获得相同的壳侧换热系数条件下 ,其壳侧阻力将小于弓型折流板换热器的 ,同时其流量要大于弓型折流板换热器的. 因此 ,螺旋折流板换热器在壳侧压力降或污垢热阻限制比较严格的场合 ,以及流体诱导振动比较严重的场合尤其显示出其优越性[1].文献[8]以核电厂的辅助冷却系统为例 ,说明了其优越性. 该冷却系统的设计参数为:热流体的进出口温度分别为 270 ℃和 55℃,冷流体的进口温度亦为 55 ℃,所以要附加一个后冷却器 ,冷却水温度为 44 ℃,整个换热器组的热负荷为15 MW ,阻力损失不超过80 kPa. 表1显示了采用传统弓型折流板和螺旋角分别为 20°、40 °的螺旋折流板换热器(其流程布置见图 12) 的设计结果. 由于系统对压损要求严格 ,所以弓型折流板系统采用并联流程. 可以看出 ,采用 40°螺旋角的折流板换热器其质量仅为弓型折流板换热器的 46 %. 5 小 结 综上所述 ,螺旋折流板换热器在综合性能方面显示出了其优越性 ,只要设计恰当 ,可以获得较好的综合性能. 但是 ,与传统弓型折流板相比 ,需要进一步做研究的地方尚有许多 ,比如:迄今人们对管壳式换热器的研究大多集中在弓型折流板方面 ,TEMA的标准也是针对弓型折流板而言的 ,要使螺旋折流板进入标准化的设计 ,则需要对其流动和传热机理展开详细分析研究 ,而影响其流动和传热机理的因素除了影响传统弓型折流板的因素以外 ,还有如几何因素(布置型式、螺旋角、螺距) 、相变情形、不同介质的物性影响等等. 有理由相信 ,随着计算机技术的不断发展以及对螺旋折流板换热器机理的深入研究 ,这种换热器的应用将更加广泛. 参考文献:略 |
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