扭转流和弓形折流板换热器的换热与流阻性能研究丝锥

2018-09-20 15:59:49来源：《化工学报》2018年第69卷

建立扭转流换热器和弓形折流板换热器两种周期性全截面模型，采用计算流体力学方法对两种换热器的传热系数、阻力、综合性能进行了数值研究。分析了扭转流换热器管束支撑物类梯形导流板结构参数对换热器传热和流阻性能的影响。结果表明：导流板倾角和相邻两组导流板间距对扭转流换热器传热性能的影响显著，导流板宽度的影响次之，每组导流板的数量的影响较小。扭转流换热器优化结构，压降较弓形折流板换热器降低42.5%～46.9%，综合性能提高7.2%～14.1%。研究结果为管壳式换热器结构优化和强化传热提供了新方案。

管壳式换热器是石油、化工、动力等行业广泛使用的工艺设备。在管壳式换热器结构创新和优化改进方面，壳程传热强化主要着眼于对管束支撑和扰流结构的改进和优化，例如采用折流杆、螺旋折流板、帘式折流片、空心环、整圆形折流板、花格板等取代常规弓形折流板。

马雷等研究了折流杆形状和结构参数对流动和传热特性的影响，表明采用变截面折流杆，换热器综合性能可提高13%～14%。20世纪90年代初由ABB公司开发出螺旋折流板管壳式换热器，在实际应用中取得了良好的效果。由于理想螺旋折流板制造装配难度较大、造价较高，目前非连续型螺旋折流板实际工业应用得最多，其中以三分和四分螺旋折流板研究最多。Lutcha等研发出四分首尾相连的非连续螺旋折流板换热器，实验结果表明其综合性能优于弓形折流板换热器。

Zhang等对不同倾角的四分螺旋折流板进行了数值模拟和实验研究，得出壳程传热系数和压降低于弓形折流板换热器。但非连续型螺旋折流板换热器存在三角区漏流。You等用实验和数值模拟的方法证明三叶孔板换热器具有较好的热力性能，并研究了三叶孔板间距对热力性能的影响。Maakoul等利用数值模拟的方法得出三叶孔板能提高壳程传热性能，但是这种传热性能的增强是以大压降为代价的。王英双等通过数值模拟得出在同等Reynolds数下，花格板换热器压降是折流板换热器的0.45倍，花格板换热器综合性能约是折流板换热器的2.2倍。

Wen等研发出一种旋梯式折流板，实验和数值模拟结果表明较螺旋折流板传热能力增强，无三角漏流区，虽压降增大，但综合能力有大幅度的提升。古新等研发了帘式折流片换热器，它在总体上是纵向流趋势，降低壳程压降，削弱流动死区，同时局部横向流动能强烈冲刷管束，从而提高了传热性能，但也存在同等Reynolds数下壳程传热系数不如弓形折流板换热器的缺点。

综上所述，因目前管壳式换热器流阻大、能耗高等结构和性能方面的缺陷，仍需不断改进和提高。通过研究分析上述不同管束支撑结构的管壳式换热器壳程传热性能，作者提出类梯形倾斜导流板支撑结构。扭转流管壳式换热器装配示意图如图1所示。

图1扭转流管壳式换热器装配示意图

类梯形导流板是由椭圆板切去两块一定比例弓形板后制成，两块或更多块类梯形导流板平行布置为一组，相邻两组正交布置构成一个周期，沿管长方向等间距排布。流体在壳程流动时，不仅引导流体斜向流动，还可诱发出沿径向和轴向周期性交替扭转变向的流场结构，流体在壳程主流区呈现扭转流动形态，加强了壳程流体的扰动程度，在导流板的导流作用下增强了壳体中心部位与壳体近壁面部位流体的掺混。这是一种新发现的特殊流动行为，具有显著的强化壳程传热、降低流体流动阻力的性能，有望成为降低常规管壳式换热器能耗的有效途径。

结论

对扭转流换热器和弓形折流板换热器进行了换热与流阻性能的数值模拟研究。分析了扭转流换热器壳程的流场和温度场特点，并对类梯形导流板结构参数对流体流动和传热性能的影响进行了研究，所得结论如下。

（1）扭转流换热器采用经过特殊设计的类梯形倾斜导流板取代常规的弓形折流板，既拥有斜向流的优点，又可诱发出沿径向和轴向周期性交替扭转变向的流场结构，流体在壳程主流区呈现扭转流动形态，并引起二次流，促进湍流核心流体与边界层内流体的掺混，具有显著的强化壳程传热、降低流体流动阻力的性能。

（2）导流板倾角和相邻两组导流板间距对扭转流换热器换热性能的影响显著，导流板宽度的影响次之，每组导流板的数量的影响较小。在设计制造扭转流换热器时，建议导流板倾角范围为45°～60°，相邻两组导流板间距取为100 mm以内，导流板宽度取为80 mm以内，在满足对换热管完全支撑和定位的情况下，不宜选取过多的导流板。

（3）在本文研究范围内，扭转流换热器压降较弓形折流板换热器降低42.5%～46.9%，综合性能提高7.2%～14.1%。

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