新型换热器介绍

新型旋梯式螺旋折流板换热器当前的螺旋折流板换热器主要采用4块扇形折流板相互对接的结构形式，使流体在壳程形成近似的螺旋状流动，这样基本上消除了传统弓形折流板换热器的流动死区和节流，特别适用于要求低压降、低污垢累积沉淀以及小诱导振动的情况，可以实现换热器长周期高效率运行然而，现有的螺旋折流板换热器在相邻两块折流板的直边对接处会形成明显的三角区漏流，从而分流了主螺旋流道的介质流量，降低了介质流速和换热器的换热性能。4块折流板组成一个螺旋周期的结构安装困难，管束圆度和同心度不易保证，管束刚度也不太好。新型旋梯式螺旋折流板换热器，其利用了折面板结构及直边重叠特点，该换热器只需用两块旋梯式折面折流板就能组成一个周期，定位和安装更加简单，可以保证换热器管束的圆度和同心度。换热器壳程内流场的分布特征换热器壳体纵截面上流体的速度分布如图4所示。为清楚显示，图中选择了换热器中间充分发展段上的几个周期。由图4可知，换热器在壳程外侧和中心区域速度较大，在折流板背面速度较小。此外，旋梯式螺旋折流板换热器中流体的速度明显比扇形螺旋折流板换热器大。扇形螺旋折流板换热器中流体在壳体外侧和中心区域，轴向速度较大，说明此区域存在明显的轴向漏流，泄漏很严重，因此削弱了换热性能。旋梯式螺旋折流板换热器的壳体外侧没有轴向流线且速度较大，说明此处流体为绕壳体的强螺旋流，流体切向速度很大，由此消除了泄漏。同时，流体在整个纵截面上的径向速度也较大，二次流（垂直于管束的径向流动）非常显著。螺旋折流板换热器的壳程流体的流动方式近似的螺旋状，可以分解为纵向和横向冲刷管束的速度，前者使流体沿管束轴向流动，后者使流体绕管束旋转流动，模拟计算模拟计算时采用FLUENT14.5进行，换热管表面定义为定壁温(T=303.15K)边界条件，折流板为默认的耦合边界条件，其余各固体壁面定义为不可渗透、无滑移绝热条件。近壁面求解采用标准壁面函数，其入口采用速度入口，大小根据入口的体积流量变化计算，温度固定为343.15K；出口为压力出口。壳程流体为导热油。表1为换热器壳体横截面上纵向速度和横向速度的平均值。横截面1、2、3为换热器一个周期中典型的3个位置，分别位于一个周期最前端、1/4周期和1/2周期处，如图5所示。由表1可知，扇形螺旋折流板换热器纵向平均速度略小于旋梯式螺旋折流板换热器，横向速度速度明显小于旋梯式螺旋折流板换热器。横向冲刷管束的速度分量可以使径向的速度梯度增大并进一步破坏边界层，产生二次流，增加流体扰动，进而强化换热。旋梯式折流板结构的优化螺旋折流板换热器的性能与结构参数密切相关，结构参数的改变会影响换热器内流体的流动，从而影响换热器的换热和阻力性能。本文根据旋梯式折面折流板结构特点，对折弯度、切割百分数及折弯角进行了优化设计。折弯度的影响旋梯式螺旋折流板换热器的折弯度大小直接影响折流板平面A和C的大小,进而影响壳程流体的横向速度分量，影响换热器的性能。实验表明，在相同体积流量下，随着折弯度的减小，壳程换热系数和壳程压降均增加，但增加幅度随着流量的增加而减小。折弯度从0.7减小到0.3时，壳程换热系数增加了7.3%～8.4%，压降增加了14%～15.7%。由于折弯度减小，平面A和C增大，流体横向速度增大，使切向速度和径向速度分量增加，这更有利于流体垂直冲刷换热管，形成二次流，破坏边界层,从而强化换热，同时扰动加强也带来了更大的压降。同时，随着折弯度减小，换热器综合性能增强。折弯度为0.3时，换热器综合性能最好；折弯度为0.3、0.5时，换热器综合性能较接近。折弯度减小，传热系数提高，压降加大，同时折弯度减小也使旋梯式折面折流板平面B的倾斜度增加，由此增加了管孔加工的难度。所以可以认为，折弯度为0.3～0.5时，换热器的综合性能较好。切割百分数的影响原始的扇形折流板换热器的两块折流板直边搭接处会产生三角区漏流，而旋梯式螺旋折流板换热器在折流板平面B的直边处加宽，加宽部分重叠，由同一排或几排换热管穿过,从而消除了中心三角区泄漏。实验表明，在相同体积流量下，随着切割百分数的减小，壳程换热系数先增加后减小，流动压降一直增加。切割百分数减小使壳体横截面减小，相同体积流量下流体的横向流速增大，湍流程度较大，导致压降增加，传热强化。随着切割百分数减小，横截面进一步增加，这容易在折流板背面形成流动死区反而影响换热，所以优化切割百分数具有重要意义。换热器综合性能随切割百分数的减小先增加后减小。切割百分数为90%时性能最好，为80%时最差，即折流板直边由同一排管子穿过时换热器性能最好，由两排管子同时穿过时换热器性能反而不如折流板直边没有重叠。折弯角的影响螺旋折流板换热器螺距对于换热器性能具有重要的影响，很多研究者发现原始的扇形螺旋折流板换热器最佳的螺旋角为40°旋梯式折面折流板折弯角会影响到换热器的螺距，进而会影响换热器的性能。实验表明，壳程传热系数和壳程压降随着折弯角的增加逐渐减小。折弯角增加，换热器螺距增加，使壳程流体流通横截面增加，横向速度减小，换热系数和压降随之减小。换热器综合性能随折弯角增大先增加后减小。随着折弯角逐渐增加，螺距增加，壳程流体速度减小，湍流减弱，使换热系数减小；同时随着折弯角增大，压降先迅速减小然后减小变缓。当折弯角为37°时，换热器综合性能最好。