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螺旋隔板換熱器的研究現狀及其應用點擊：2026 日期：[ 2014-04-26 21:58:09 ] |
| 螺旋隔板換熱器的研究現狀及其應用 劉曉紅 （廣州航海高等?？茖W校輪機系， 廣東廣州 510725） 摘要：螺旋隔板換熱器主要包括兩種不同類型的結構形式，即沒有中心管的非整體連續的螺旋隔板換熱器和有中心管的整體連續的螺旋隔板換熱器?？偨Y了國內外學者對螺旋隔板換熱器所做的主要研究工作，包括殼程流體的動力學研究、傳熱與壓降性能研究和數值模擬，并介紹了整體連續型螺旋隔板強化管換熱器在工業中的應用。最后，對螺旋隔板換熱器的下一步研究工作進行了展望。 關鍵詞：殼管式換熱器；螺旋隔板；傳熱強化 中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1009- 9492 (2008) 07- 0052- 02 殼管式換熱器是廣泛應用于化工、石化、動力、制 冷等領域的重要熱能交換設備。在歐洲，殼管式換熱器 占市場份額的 42%。目前國內殼管式換熱器主要采用弓 型隔板作為管間的支撐結構，在這種結構的換熱器中， 流體在殼程呈 “Z”形流動，在隔板和殼體內壁相連處存 在流動死區；流體在隔板間分離引起動量的急劇變化而 造成壓力的嚴重損失；在隔板與殼體和傳熱管與隔板之 間存在旁路流和泄漏流，降低了流體的有效質量流量， 這些缺點導致了殼管式換熱器傳熱系數低、壓降高。隨 著金屬材料價格的不斷增長和節能工作低迫切需求，促 進了高效殼管式換熱器的研究和應用。近年來，螺旋隔 板換熱器作為一種新型的殼管式換熱器形式，受到國內 外學者的廣泛關注，并在工業中推廣應用，取得了很好 的節能、節材經濟效益。 1 螺旋隔板換熱器的結構形式 從結構上看螺旋隔板換熱器主要包括兩大類：一類是 沒有中心管，隔板為非整體連續的螺旋結構 （圖 1）。這種 結構的螺旋隔板換熱器是上世紀 90 年代初由捷克共和國 發明，隨后在 ABB 公司進行了產業化 ［1］。其設計形式是： 每個隔板占據四分之一的殼體橫截面，并與換熱器的軸向 呈一定角度排列，相鄰的隔板在邊緣接觸并在外圍形成連 續的螺旋狀結構，流體在殼程呈螺旋流動。另一類是設有 一根中心管，隔板為整體連續的螺旋結構 （圖 2）。其設計 形式是隔板圍繞中心管螺旋纏繞，形成一種整體連續的螺 旋隔板結構。 這種結構形式的螺旋隔板換熱器。從目前的文獻來 看，文獻中報道最多的是沒有中心管的螺旋隔板換熱器。 2 螺旋隔板換熱器的研究現狀 螺旋隔板換熱器的研究工作主要包括如下幾方面：殼 程流體動力學研究、傳熱及壓降性能研究、殼程數值模擬。 2.1 殼程流體動力學研究 D.Kral 等人 ［2］ 采用刺激- 響應技術 （stimulus- re- sponse techniques）對玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流 動特性進行了實驗研究，流體動力學研究結果表明，流體 在殼程的螺旋流動類似于塞狀流 （plug flow），幾乎沒有返 混和流動死區。 Wang Shuli ［3］ 采用激光多普勒測速儀 （laser Doppler anemometry）對有機玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流場 進行了測量，研究了螺旋角和流速的大小對速度分布和脈 沖速度的影響。結果表明，隨著螺旋角的減少，線速度和 脈沖速度降增大，促進了傳熱，但壓降也增大?？傮w來 看，最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾常數有關。 2.2 傳熱與壓降性能研究 D.Kral 等人 ［2］以水- 水換熱為對象，研究了螺旋角的 大小對傳熱性能的影響，螺旋角的變化范圍為 17°～44°。 結果表明，在相同的殼程壓降下，螺旋角為 40°時殼程的 傳熱系數最高。作者認為，在螺旋角約為 40°時，邊界層 流體近乎充分發展。 蔡志剛等人 ［4］ 以 5# 柴油- 水換熱為對象，比較了螺 旋隔板和弓型隔板換熱器的傳熱與壓降性能，結果表明， 螺旋隔板換熱器的阻力只有弓型隔板換熱器的 30%。此外， 在相同壓降下，螺旋隔板換熱器的傳熱效率提高了 10%。 以上學者研究的傳熱管均為光滑管，為進一步提高螺 旋隔板換熱器的傳熱性能，本實驗室先后開展了螺旋隔板 與強化管搭配進行傳熱強化研究。趙曉曦等人 ［5］以柴油- 水換熱為對象，研究了以菱型翅片管作為強化傳熱管型的 螺旋隔板換熱器的傳熱與壓降性能，并與光滑管進行了對 比，其所采用的隔板為整體連續的螺旋隔板結構。實驗結 果表明，在相同流速下，螺旋隔板菱型翅片管換熱器的殼 程傳熱系數比螺旋隔板光滑管換熱器提高了 54%～108%， 而流動阻力系數降低了 5%～30%。 張正國等人 ［6］以潤滑油- 水換熱為對象，比較了螺旋 流條件下三維花瓣型翅片管與二維低翅片管的傳熱與壓降 性能，所采用的隔板也是整體連續的螺旋隔板結構。實驗 結果表明，在相同的潤滑油體積流量下，螺旋隔板三維花 瓣型翅片管換熱器的殼程傳熱系數比螺旋隔板二維低翅片 管換熱器提高了 28%～48%，而壓降卻降低了 35%～75%。 2.3 殼程數值模擬 Andrews 和 Master ［7］ 采用三維計算流體力學 （CFD） 方法對 ABB 公司制造的螺旋隔板換熱器進行了性能分析， 研究了螺旋角分別為 10°、25°、40°條件下螺旋隔板換熱 器的殼程流動與壓降性能。結果表明，隨著螺旋角的增 大，流體更接近于塞狀流，模擬的壓降與 ABB公司螺旋隔 板換熱器的傳熱關系式計算結果較吻合。 鄧斌等人 ［8］ 采用多孔介質、分布阻力模型、階梯逼 近技術對螺旋隔板換熱器殼程的流動進行了三維數值模擬， 結果表明，在相同的進口內徑和進口流量條件下，螺旋隔 板換熱器的殼側壓降明顯低于弓型隔板換熱器，計算所得的進出口總壓降與實驗值之間的偏差大部分在 14%以下。 張少維等人 ［9］ 采用計算流體動力學分析方法建立了 螺旋隔板換熱器的數學模型，并利用 CFD 分析軟件 Fluent 模擬換熱器殼程的流動特性，得到了換熱器殼程的流場分 布，并與弓型隔板換熱器殼程的流動特性進行了對比。 李大為等人 ［10］ 以水- 水換熱器為對象，利用 Fluent 軟件，對螺旋隔板換熱器三維實體內的流體流動和傳熱進 行了數值模擬，重點研究了湍流條件下換熱器殼程流體入 口的壓降以及不同結構對壓降的影響，并提出了入口結構 的改進方法。 3 螺旋隔板換熱器的應用 廣州赫爾普化工公司原異己烷油冷卻器是由兩臺弓型 隔板光滑管換熱器串連使用，在空間位置上重疊布置，總 換熱器面積為 20m2。每臺冷卻器的主要參數為：殼體直徑 DN=325mm，換熱管為 Φ19mm×2.0mm 的碳鋼光滑管，換熱 管長 3 000mm。當異己烷油產能從 7 000 噸/年擴產到 10000 噸/年時，冷卻器的熱負荷為 240kW。夏季冷卻水進 口水溫為 33℃，殼程進口油溫為 160℃時，出口油溫在 52℃ 以上，已不能滿足出口油溫 40℃左右進入儲罐的工藝要求。 因此，需對原冷卻器進行重新設計，用一臺整體螺旋 隔板低翅片管冷卻器取代原二臺串連冷卻器。該冷卻器的 殼體直徑為 377mm，兩管程結構。低翅片管采用 Φ19mm× 2.0mm 的碳鋼光滑管進行加工，光管的總換熱面積為 19m2。整體螺旋隔板的結構采用圖 2 所示，螺旋隔板的中 心管外徑為 108mm，低翅片管的照片見圖 3。從空間尺寸 來看，一臺 377mm 直徑的冷卻器比兩臺 325mm 直徑的冷 卻器明顯減少。 該臺異己烷油冷卻器于 2005 年 5 月開始投入運行至 今，由于產能的擴大，熱負荷值為 240kW，在此熱負荷條 件下，異己烷油的入口溫度為 160℃時，測得異己烷油的 出口溫度為 40℃左右，達到工藝要求。 通過對改造前后兩臺油冷卻器的總傳熱系數進行計算 可知，弓型隔板光滑管冷卻器的總傳熱系數為 250W/m?2K， 而螺旋隔板低翅片管冷卻器的總傳熱系數為 410W/m?2K， 總傳熱系數是弓型隔板光滑管油冷卻器的 1.64 倍。 4 結語 通過螺旋隔板換熱器在工業中的實際應用，證明其具 有高效的傳熱性能。未來的重點應是針對不同傳熱介質， 研究螺旋隔板與不同類型強化管之間的合理搭配，以充分 發揮螺旋流動與強化管的協同強化傳熱效果，進一步提高螺旋隔板換熱器的綜合性能。通過實驗及理論研究，并結 合數值模擬，揭示螺旋隔板強化管換熱器的傳熱強化機 理，獲得傳熱與壓降的關系式，用以指導工業設計。 參考文獻： ［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］蔡志剛，張國福，宋天民. 螺旋折流板與弓形折流板換熱器 的性能比較 ［J］. 化學工程，2006，34 （4）：13- 15. ［5］趙曉曦，鄧先和，陸恩錫. 螺旋折流板菱形翅片管換熱器的 傳熱與流阻性能 ［J］. 化工學報，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］鄧斌，吳揚，陶文銓. 螺旋折流板換熱器殼側流動的數值模 擬 ［J］. 西安交通大學學報，2004，38 （11）：1106- 1109. ［9］張少維，桑芝富. 螺旋折流板換熱器殼程流體流動的數值模 擬 ［J］. 南京工業大學學報，2004，26 （2）：81- 84. ［10］李大為，沈人杰，高曉東，等. 螺旋折流板換熱器數值模及 入口結構改進 ［J］. 高?；瘜W工程學報，2005，19 （5）： 699- 702. |
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