螺旋折流板换热器壳程流动特性

螺旋折流板换热器壳程流动特性
杜文静;王红福;程林
【摘要】可视化实验研究了透明螺旋折流板换热器的壳程速度分布特征，重点研
究了轴向速度的分布规律及对应的机理。

结果表明，轴向速度按照折流板的螺旋周期呈周期性变化，不同流量下同一测点的轴向速度分布规律相似。

轴向速度在换热器壳程周边区域分布比较均匀，沿轴向变化幅度较小，流动相对稳定，湍流度较低。

由于受三角区漏流的影响，管束中心区域轴向流速急剧增大，沿轴向变化幅度较大，稳定性差，湍流强度较高。

中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域，离换热器中心越近，轴向速度越大。

随着壳程流量的增大，中心区域轴向速度的增幅高于外围区域。

管束中心处轴向速度波动剧烈，壳程流量较小时，中心处轴向流速平均值最大，随着流量的增加，湍流度增大，流体返混现象明显，中心处轴向流速平均值逐渐减小。

%Experimental study was explored with the ultrasonic Doppler velocimeter on the shell side fluid flow characteristics in helical baffled
heat exchanger made from acrylic glass. Emphasis was on the axial velocity distribution characteristics. Results indicate that the axial velocity is uniformly distributed in the circumferential region of the shell side. Benefiting from the leakage flow in the triangular region, the corresponding axial velocity in the central region is rapidly increased. With the increase of mass flow rate, the variation magnitude of axial velocity in the central region is much larger than that in the circumferential region. An obvious fluctuation of axial velocity on the shell side of the helical baffled heat exchanger is also an important phenomenon. The mean velocity in
the central region increases with the mass flow rate, but this feature is
absent when the corresponding turbulent flow is dominant and backmixing flow occurs.
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】6页(P2970-2975)
【关键词】螺旋折流板换热器;实验验证;流动;超声多普勒测速仪
【作者】杜文静;王红福;程林
【作者单位】山东大学热科学与工程研究中心，山东济南 250061;山东大学热科
学与工程研究中心，山东济南 250061;山东大学热科学与工程研究中心，山东济南 250061
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
引言
管壳式换热器因其生产成本低、清洗方便、适应性强等优点，在石油化工、电力生产等领域占据着主导地位，在世界范围内有35%～40%的换热器为管壳式换热器[1-3]。

20世纪80年代出现的螺旋折流板换热器与传统的弓形折流板换热器相比，具有换热效果好、壳程压降小、管束不易结垢等优点[4-7]，在工程中得到日益广
泛的应用。

实验表明[8-11]：相比于弓形折流板换热器，螺旋折流板换热器能够有效提高壳程对流传热系数，降低壳程流动压降损失，从而提高综合换热性能。

目前，针对螺旋折流板换热器的实验研究主要集中在传热与阻力性能方面，关于螺旋折流
板壳程流动特征的研究主要采用数值计算的方法[12-14]。

其原因是螺旋折流板换
热器壳程内部结构复杂，管束排布密集，通过实验测量壳程流场分布特征具有一定的难度。

王素华等[15]通过激光测速仪详细测量了螺旋折流板换热器的流场特性，着重研究了螺旋角对速度分布和对脉动速度的影响，并对速度分布及传热与阻力性能的影响做了详细的分析。

孙琪等[16]通过激光测速仪测量了搭接螺旋折流板换热器的流场特性，研究了相同螺旋角不同搭接量下的速度分布、脉动速度及摩擦阻力，就速度分布对换热性能及阻力的影响及搭接量对有效换热面积的影响做出了相关讨论。

王晨等[17]通过激光粒子测速技术在有机玻璃模型上对螺旋折流板换热器的壳程流动特性进行了实验研究，结果表明螺旋折流板换热器管间流体斜向冲刷管束，流场可分为中心区域的非稳定区和外围的稳定区，并就稳定区与非稳定区的速度分布进行了详细的分析。

本文以螺旋折流板换热器为研究对象，采用超声多普勒测速仪，对透明螺旋折流板换热器的壳程流场进行了可视化实验研究，给出了螺旋折流板换热器内部轴向速度的分布规律。

1 实验设备
实验用换热器壳程介质为水，管程无介质流动，只研究壳程介质螺旋流动状况。

实验系统主要包括水循环系统和多普勒数据采集系统。

整个实验系统流程如图1所示，现场如图2所示。

水循环系统由水箱、阀门、水泵、电磁流量计及管路组成。

水泵驱动水箱中的水流过电磁流量计，进入换热器壳程，然后经回水管流到水箱中，完成一个循环。

水泵采用德国威乐公司生产的MHI1602DM型循环水泵；采用一体式ABB电磁流量
计测量流量。

多普勒数据采集系统包括：多普勒探头，超声多普勒测速仪，计算机及多普勒2D/3D测量软件。

超声多普勒测速仪型号为DOP3010，发射频率为
0.45～10.5 MHz，发射功率分别为0.5、5、35 W，脉冲重复频率为64～105
ms，测点数目为4～1000，测量精度为 0.5%。

多普勒探头选用较大的压电直径来减少超声波的分散，型号为TR0114。

图1 实验系统流程图Fig.1 Schematic diagram of test system
图2 实验系统现场照片Fig. 2 Photo of testing system
超声多普勒测速仪是基于多普勒效应实现测速的功能。

测量原理如下：在无色散的情况下，声波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源的运动而改变。

超声波探头发射一定频率的超声波，该超声波沿探头所在方向直线传播，碰到杂质粒子时将发生反射，超声波探头将接收到一定的反射频率。

基于声学多普勒效应，发射频率和被移动物体反射的超声波频率之间服从多普勒关系，可应用多普勒关系式推算出物体的瞬时移动速度。

超声多普勒测速仪能够测量探头发射直线方向上各点沿直线方向的分速度，点的数量及间隔可以通过软件参数进行设置。

为了提高实验精度，本实验定制支架用于固定超声波探头，定位精度是毫米数量级，实验中改变探头在支架上的位置即可得到相应直线上的轴向速度。

实验用螺旋折流板换热器由有机玻璃制成，具体结构参数如表1所示。

为了使超声波能够在其中传播，在水中添加悬浮颗粒用于反射。

换热器模型的具体结构如图3所示。

2 实验方法
实验用换热器的螺旋折流板在4个扇形区域内具有对称性，因此只选择1个扇形区域进行研究。

测点位置如图4所示，测点位于管束间中线交点位置，相邻测点间距为28 mm。

改变壳程流量，分别测量各位置点处的轴向速度。

本实验中壳程质量流量共计6种工况，分别为0.95、1.22、1.43、1.68、1.90、2.13 kg·s-1。

表1 螺旋折流板换热器实验件的结构参数Table 1 Geometric parameters of testing heat exchangers with helical bafflesParameter Value internal diameter of shell /mm 180 external diameter of tube /mm 20 tube pitch
/mm 28 length of tube /mm 800 tube layout square tube quantity 24 helical angle/(°) 20 screw pitch 131 spiral cycle 4.5
图3 螺旋折流板换热器模型的结构示意图Fig.3 Structure diagram of helical baffled heat exchanger model
图4 实验测量位置点Fig.4 Points of experimental measurement
3 实验数据分析讨论
图5 测点3和6壳程轴向速度Va沿轴向Z的分布Fig.5 Axial velocity Va distribution of points 3 and 6 along Z axial
图6 测点6在不同流量下壳程轴向速度Va沿轴向Z的分布Fig.6 Axial velocity distribution Va of point 6 along Z axial direction under different mass flow 选用典型壳程质量流量为2.13 kg·s-1时的工况进行分析。

测点3和测点6的轴向速度Va沿轴向Z分布如图5所示。

流体的轴向速度经过一个螺旋周期后呈周期性变化，靠近折流板时轴向速度最小，折流板中间位置轴向速度值最大。

整体轴向速度大于 0，只有在折流板前区域发生流体返混，轴向速度小于 0。

流体轴向速度呈周期性变化，变化周期约等于 130 mm，即一个螺旋周期的距离。

鉴于流体轴向
速度呈周期性变化，可选取已进入充分发展区的第3个周期的轴向速度为研究对象。

图6为不同流量下测点6处轴向速度Va沿轴向Z的分布。

从图中可以看出，测
点6在Z=430 mm处螺旋折流板附近轴向速度值较小，且存在一定的反向混流。

在经过折流板后轴向速度急剧增大直到峰值，然后缓慢减小，整体维持在较大流速范围内。

当接近下一个周期的螺旋折流板片时，轴向速度急剧减小。

比较不同流量下的速度分布曲线可知，轴向速度分布规律相似，都是在Z=480 mm处达到峰值，在Z=480～540 mm范围内维持较大流速，在Z=540 mm处流速开始急剧减小，由此可知，流量对螺旋周期内轴向速度分布规律影响较小。

比较其他测点各流量下
的轴向速度分布可以发现，轴向速度分布规律基本相似，受流量影响较小，主要与所处的轴向位置有关。

壳程质量流量为2.13 kg·s-1时，同一个螺旋周期内测点2～7的轴向速度Va沿Z轴的分布如图7所示。

图中测点2、3、5位于换热器管束外围区域，轴向速度分布比较均匀，变化幅度较小，流动比较稳定。

测点6和7位于管束中心区域，三角区域漏流现象严重，流体在此处发生流动短路从而使轴向速度急剧增加，流体分布均匀性较差，变化幅度较大，流体湍流度较大。

测点4存在三角区漏流，只是三角区面积较小，所以轴向速度存在一定程度的增加量。

由于折流板的倾斜，测点4位置比较靠前，经过三角区后轴向速度最先达到峰值，之后随着漏流影响的减弱，速度逐渐减小。

由图7还可知，外围区域轴向速度平均值较小，中心区域轴向速度平均值较大，离换热器中心越近，轴向速度的峰值越大。

图7 测点2～7壳程轴向速度Va沿轴向Z的分布Fig.7 Axial velocity Va distribution of points 2—7 along Z axial direction
壳程质量流量为2.13 kg·s-1时，一个螺旋周期内测点1和8的轴向速度Va沿Z 轴的分布如图8所示。

测点1为换热器最顶部的位置，此处轴向速度值较小，并且在前半周期内速度趋近于 0。

主要原因是实验过程中在换热器的顶部出现气泡，在折流板搭接部分后方形成静止不动的大气泡，此处流体轴向速度趋近于0。

测点8为换热器中心处，从图中可以看出，轴向速度值较大，变化较剧烈，一个周期内含有4个峰值，并且此处的流体返混量较大。

主要原因是壳程螺旋流动在中心处汇聚，同时中心处三角漏流量最大，促使此处湍流程度较大，中心处流道上折流板较多，阻力作用明显，加剧了流体湍流程度。

图8 测点1和8壳程轴向速度Va沿轴向Z的分布Fig.8 Axial velocity Va distribution of points 1 and 8 along Z axial direction
图9 一个螺旋周期内各测点处轴向速度的平均值Va(avg)随壳程质量流量Ms的变
化Fig.9 Average axial velocity Va(avg) of measure points in a spiral cycle versus shell-side mass flow rate Ms
图9给出了一个螺旋周期内不同位置的各测点的轴向速度平均值Va(avg)随质量流量Ms的变化。

从图中可以看出，随着流量的增大，各测点处轴向速度平均值逐渐增加。

测点1、2、3、5属于管束外围区域，轴向速度平均值较小，随着流量的增大，轴向速度增大幅度相对较小。

测点4、6、7属于管束中心区域，轴向速度平
均值较大，随着流量的增大轴向速度变化幅度较大，明显高于测点1、2、3、5处。

这主要是因为相邻螺旋折流板间的间隙处发生短路流动，使管束中心区域轴向速度增加。

测点8位于管束中心，在小流量时流体返混较少，湍流度较小，平均轴向
速度值最大，随着流量的增大，管束中心湍流度急剧增加，流体返混现象明显，返混区流体轴向速度小于0，平均轴向速度明显减小。

实验中每个测点每秒钟采集一组轴向速度数据，一共采集100组数据。

此处计算
一个螺旋周期内各测点在不同流量下轴向速度的标准偏差σ，用来描述轴向速度的离散程度，说明此处流动的湍流特征。

从图10和图11可以看出，随着流量增大，流体湍流度逐渐增大。

在图10中，管束中心测点8的湍流度要远远大于其他位置的湍流度，并且随着流量增大测点8湍流度急剧增大。

测点6和7位于管束中心
区域，湍流度相差不大。

比较图 10和图11可以发现，受壳程顶部气泡及三角区
漏流的综合影响，测点1及其周围的测点3、4处湍流度较高。

测点2、5位于管
束外围区域，流动比较稳定，湍流度最小，明显小于管束中心区域测点6、7、8
及壳体顶部气泡影响区域测点1、3、4。

图10 一个螺旋周期内测点6～8处轴向速度的标准差σ随壳程质量流量Ms的变
化Fig.10 Standard deviation σ of average axial velocity of measure points 6—8 in a spiral cycle versus shell-side mass flow rate Ms
图11 一个螺旋周期内测点1～5处轴向速度的标准差σ随壳程质量流量Ms的变
化Fig.11 Standard deviation σ of average axial velocity of measure
points1—5 in a spiral cycle versus shell-side mass flow rate Ms
4 结论
（1）螺旋折流板换热器壳程轴向速度分布按照折流板的螺旋周期呈周期性变化。

不同流量时各测点处轴向速度分布规律相近，流量大小对其影响较小，主要与所处的位置有关。

（2）轴向速度在管束外围区域分布比较均匀，变化幅度较小，流动相对稳定，湍流度较小。

在中心区域，由于受三角漏流的影响，轴向速度急剧增大，沿轴向分布不均匀，稳定性差，湍流度大。

（3）中心区域轴向速度平均值明显高于外围区域，离换热器中心越近，轴向速度越大。

随着壳程流量的增大，中心区域轴向速度的变化幅度明显高于外围区域。

（4）管束中心处轴向速度波动剧烈，壳程流量较小时，中心处平均轴向流速最大，随着流量的增加，湍流度急剧增大，流体返混现象明显，平均轴向流速逐渐减小。

符号说明
Ms——壳程质量流量，kg·s-1
R——换热器壳体径向，mm
Va——轴向速度，mm·s-1
Va(avg)——轴向速度的平均值，mm·s-1
Z——换热器轴向，mm
σ——轴向速度的标准差，mm·s-1
References
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