《浅谈螺旋折流板式换热器传热性能及研究方向》由会员分享，可在线阅读，更多相关《浅谈螺旋折流板式换热器传热性能及研究方向（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、浅谈螺旋折流板式换热器传热性能及研究方向浅谈螺旋折流板式换热器传热性能及研究方向摘摘 要：要： 螺旋折流板换热器是一种新型高效换热器，具有壳程流动阻力小，换热效率高，抑振和防垢性能好等优点。目前普遍使用的螺旋平面折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处存在 X 形的内外两个三角漏流区，严重影响了换热器性能的提高。本文介绍了一种新的旋梯式折面折流板，替代平面折流板后，实验结果各项传热性能参数均有所提高并且更节能。关键字：关键字：螺旋折流板换热器 高效 旋梯式 节能Abstract: Spiral baffle plate heat exchanger is a new type of high
2、efficiency heat exchanger,which has the advantages of low flow resistance, high heat transfer efficiency, good anti vibration and anti fouling performance.At present, there are two triangular drain regions in the straight edge of the adjacent two block baffle plate, which has been widely used in the
3、 straight edge of the spiral flat baffle plate heat exchanger,which seriously affects the performance of heat exchanger.This paper introduces a new ladder type folded plate fold flow plate, the alternative to planar baffle, experimental results of the heat transfer performance parameters were improv
4、ed. Key words:Spiral baffle plate heat exchanger ; Efficient; Ladder type; Energy saving1 前言前言随着现代新工艺、新技术、新材料的不断发展和能源问题的日益严重，必然带来更多的高性能、高参数换热设备的需求。换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统的经济性和可靠性起着重要的作用,有时甚至是决定性的作用。目前在发达的工业国家热回收率已达 96%,换热设备在石油炼厂中约占全部工艺设备投资的 35% 40%。其中管壳式换热器仍然占绝对的优势,约 70%。其余 30%为各类高效紧凑式换热器、新型热管和蓄热器等设备，
5、其中板式、板翅式、热管及各类高效传热元件的发展十分迅速。传统的管壳式弓形折流板换热器传热死区多，整体换热效率低，壳程流体流动时横向冲刷换热管束，流动阻力大，从而动力设备消耗增大，同时容易诱发管束振动，容易产生结垢。螺旋折流板换热器是 Lutcha 等人于 1990 年首次提出的一种壳程强化传热的新型换热设备，其基本设计思想是：在壳程采用沿壳体轴线展开的螺旋折流板结构，螺旋折流板使换热器中的壳程流体呈连续的螺旋状流动，这种流动消除壳程流体的流动死区，强化了壳程传热，同时降低壳程流动压力损失，减小换热器动力能耗。此外，螺旋折流板换热器还具有良好的抗振性能和防垢性能，特别适用于易结垢、高黏度的介质，
6、如原油、渣油等。对于螺旋折流板换热器的流动和传热性能，国内很多学者做了大量的研究，发现这种目前普遍使用的螺旋平面折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处存在 X 形的内外两个三角漏流区，严重影响了换热器性能的提高。文键等人又在原来的折流板式基础上做了改进，用旋梯式折面折流板替代平面折流板，实验结果表明，旋梯式螺旋折流板换热器相比于螺旋平面折流板换热器，各项传热系数及壳程压降均有所提高。2 螺旋折流板换热器螺旋折流板换热器2.1 螺旋折流板换热器原理结构螺旋折流板换热器，国外称 HelixchangerTM 换热器，是 ABB公司的新产品。在列管换热器中，壳程通常是一个薄弱环节。美国ABB 公司
7、提出了一种全新方案，即建议采用螺旋状折流板。其设计原理很简单，将圆截面的特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”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。相邻折流板的周边相接，与外圆处成连续螺旋状(见图 1a)。折流板的轴向重叠如图 1b 所示，如欲减少支持管子的跨度，亦可设计成双螺旋(见图 1c)。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
8、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。这种结构克服了普通折流板设计的主要缺点。2.2 螺旋折流板换热器分类螺旋折流板列管式换热器结构大体上分为连续螺旋折流板结构和非连续螺旋折流板结构两大类（见图 2）。连续螺旋折流板换热器的折流板形状是自壳体进口向出口推进的完全螺旋面，介质在壳体内旋转流动连续平稳。连续螺旋折流板换热器比非连续螺旋折流板换热器传热效果更好，应用前景也更广阔。非连续型螺旋折流板换热器的结构由 2 块4 块 1/4 椭圆（以椭圆长、短轴为边）或 1/4扇形（以椭圆短边为对称线截取）自壳程进口处向出口处呈螺旋状首尾相接组装形成。壳程流体流动
9、近似成螺旋状（见图 3）。非连续螺旋折流板换热器技术是国内外比较成熟的技术，石化行业中已有应用。连续螺旋折流板换热器比非连续螺旋折流板换热器传热效果更好，应用前景也更广阔。图 2 螺旋折流板类型图 3 螺旋折流板换热器示意图2.3 螺旋折流板换热器存在的问题传统的管壳式换热器主要采用弓形折流板（见图 4），其存在沿程压降大、易结垢、易形成流动死区和易诱导管束振动等缺点。螺旋折流板换热器作为一种潜在的弓形折流板换热器的替代品，基本上克服了传统弓形折流板换热器的上述缺点。目前普遍的螺旋折流板换热器壳程的折流板采用扇形平面板，四块折流板组成一个螺距，且折流板倾斜于壳体轴线，沿着管束轴线方向按照近似螺
10、旋线方式连接，使壳程形成近似螺旋面，流体产生近似的螺旋状流动。但这种结构在相邻两块折流板的直边对接处会形成 X 形内外两个三角漏流区，使得壳程流体形成短路泄漏，即部分流体由螺旋流变成轴向流，减少了主螺旋介质流量，从而降低换热器的换热性能(图 5)。针对三角漏流区的消除，很多研究者进行了大量的理论及实验研究，Peng 提出采用连续的螺旋形折流板来消除漏流，但此类折流板加工困难，特别是对于大直径换热器。王良用一块平面三角板将三角区堵上，实验发现加三角板后换热效率基本不变，但是壳程压降却显著增大。高晓东提出利用双螺旋结构来布置更多的折流板，以减少流体在扇形折流板的三角区漏流流体份额。但这种结构复杂、
11、加工难度大。Chen 和宋在折流板的两直边处同时加宽 1 排管距宽度，削弱了三角泄漏。Wang 采用折面折流板以替代原始的扇形平面折流板，消除了壳程边缘区三角泄漏。实验结果发现，换热器总传热系数增加显著，泵耗功率增量非常有限。图 4 弓型折流板换热器壳侧流动示意图图 5 扇形隔板3.旋梯式螺旋折流板换热器旋梯式螺旋折流板换热器王键等人后来又在原来的折流板式基础上做了改进，提出了一种旋梯式折面折流板新结构（见图 6），用旋梯式折面折流板替代平面折流板，并对旋梯式螺旋折流板换热器及平面螺旋折流板换热器的流动换热性能进行了实验对比研究。3.1 旋梯式折面折流板结构特点 旋梯式折面折流板由一块大平板经
12、过两次弯折后形成，其中包含 3 个平面板。平面 A 和平面 C 与管束轴线垂直，平面 B 与平面 A和平面 C 的夹角相同，在壳体横截面上投影为弓形折流板形状。旋梯式折面折流板在其两侧存在折弯面 A、C，连接时能利用它们自身的折弯面结构特点，使相邻两块折流板密切接触，从而封闭了三角漏流区(图 6)。此外，旋梯式螺旋折流板换热器由 2 块折流板组成一个周期，定位安装更加简单和方便。图 6 阶梯式折流板3.23.2 旋梯式折面折流板实验结果旋梯式折面折流板实验结果螺旋平面折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处会形成 X 形的内外两个三角漏流区，使部分流体由螺旋流变成轴向流，减少了这部分流体在换热
13、器的流动路程，即减少了换热面积。且流体在泄漏处阻力小，速度较大，抑制了流体的螺旋流。旋梯式螺旋折流板换热器消除了三角漏流，增加了主螺旋介质流量，壳程流体为更接近连续的螺旋流，切向速度及径向速度都明显增加。切向速度产生离心力，在离心力作用下形成径向的二次流，使流体扰动大幅度增加，边界层减薄，径向速度迫使流体往管束中心流，而此处有效换热面积大，从而强化了换热器壳侧传热性能。王键等人对旋梯式螺旋折流板换热器及平面螺旋折流板换热器的流动换热性能进行了实验对比研究，得出在实验工况下，旋梯式螺旋折流板换热器相比于螺旋平面折流板换热器，总传热系数平均增加 21.4%，而壳侧传热系数平均增加 27.3%，壳程
14、总压降增加了19.3%31.0%，而壳程管束压降增加了 68.1%86.9%。而换热的增加量是泵耗增量的 2 个数量级。 换热器热性能因子均大于 1.0，说明改善后的换热器达到了强化换热。综合性能增加了 14.8%24.2%，平均增加 19.5% 。对比的实验数据说明旋梯式螺旋折流板换热器传热性能各方面均有所提高。4. 小小 结结本文介绍了传统的螺旋折流板换热器结构分类及传热性能，及其本身存在一些结构上的缺陷。又提出了一种新的旋梯式螺旋折流板换热器，在折流板上有了新的升级，定位和安装更加简单方便，并详细介绍了旋梯式螺旋折流板换热器的各项传热系数及传热性能等方面的优越性。本文的研究结果对于换热器
15、的节能优化设计具有重要的指导意义。参考文献参考文献1.马晓驰. 国内外新型高效换热器J.化工进展.2001,14(1): 49-51.2.徐 彬,张麦贵. 螺旋折流板换热器在常减压装置中的应用J. 石油化工设备, 2003, 32(5): 53- 54.3.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.王秋旺. 螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究进展J. 西安交通大学学报,2004, 38(9): 881-886.5.宋素芳. 螺旋折流板换热器的制造技术研究J.能源与节能，2013，
16、90(3): 99-101.6.宋素芳,马利斌,罗彩霞螺旋折流板换热器研究进展J. 广东化工，2010,37(4)：20-21.7. WangS L.Hydrodynamic studies on heatexchangerswith he-lical bafflesJ. Heat Transfer Engineering, 2002, 23(3):43- 49.8.Wang L, Luo L Q, Wang Q W. Effect of inserting block plates on pressure drop and heat transfer in shell-and-tube heat exchangers with helical baffles J. Journal of Engineering Thermophysics, 2001, 22(sup): 173-176. 9.文键. 旋梯式螺旋折流板换热器换热性能的实验研究J. 高校化学工程学报, 2015,29(4): 795-801.热交换器原理与结
