三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能
周向重叠三分螺旋折流板换热器性能比较
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ， Ｓ ｏ ｕ ｈｅ ｔ ￣ｔ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｎａ ｎｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） （ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｎｄ ａ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｓ ｒ ｉ ｔ ｙ， Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
（ 东 南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室 ， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ）
摘 要 ：对 采用 正三 角形布 管且 螺 距相 同的 ４种 螺旋折 流板 换 热器 方案 ， 即倾斜 角 为 ２ ０ 。 三分周 向 重叠（ ２ ０ 。 Ｔ Ｃ Ｏ） 、 倾斜 角 为 １ ８ 。 四分周 向重 叠 （ １ ８ 。 ＱＣ Ｏ） 、 倾斜 角为 １ ８ 。 首尾相连（ １ ８ 。 ＱＥ Ｅ） 以及 螺 旋角 为１ ８ ． ４ 。 的连 续 （ １ ８ ． ４ 。 Ｃ Ｈ） 螺 旋折 流板 换 热器 的流 动和传 热 性能进 行数值 模 拟 ． 给 出 了子 午 切面 、 同心正 六边 形 切 面上速 度 矢量 叠加压 力 或速度 云 图分布 以及 ６ ０ 。 扇 区的 ９根 换 热管 和 ４ 层 同心换热管层的局部热流密度分布． 结果表 明： 每个螺旋周期 中均存在 二次流， 非连 续螺旋折 流板 Ｖ形缺 口 处存在“ 逆 向泄漏” ， 但 ４种方案中２ ０ 。 Ｔ Ｃ Ｏ方案泄漏量最少 ； ２ ０ 。 Ｔ Ｃ Ｏ方案具有最 大 壳侧传 热 因子 － 『 摩 擦 系数， ０ 和 平均 综合 性 能指标 （ 。 ／ ， ０ ） ； １ ８ 。 Ｑ Ｃ Ｏ 方案 中的传 热 因子 和 摩 擦系数． 厂 ｎ 其次； 虽然 １ ８ ．ｏ Ｃ Ｈ方案摩擦系数， ０ 最低 ， 但其壳侧传热因子． 『 。 和平均综合性能指标 （ 。 饥 ） 均 最差 ． 关键 词 ： 螺 旋折 流板 换热 器 ； 三分折 流板 ； 四分折 流板 ； 连 续折流 板 ； 相邻 折流板 周 向重 叠 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｋ１ ２ ４ 文 献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ １— ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ － ０ ７ ９ ３ － ０ ５
螺旋折流板换热器的总换热系数和压降的研究
在两个折流通道变向过渡区域 ，流体取最 短路程斜 向前
进 ，就形成一个介质相对静止 的三 角形区域 ，导致换 热
效率低。螺旋折 流板换热器是将折流 板布置成近 似的螺 旋面 ，使换 热器中 的壳 侧流体 实现连 续 的螺 旋状 流动 ， 有效地降低了壳程的流动阻力 和强 化了传热 。
求 ，同时消耗较小 的动 力。螺旋折流 板换 热器是应 这些 要求在 当前 工程 实践 中 出现 的较 为先 进 的一种 换 热器
热器传 热效果 更好 。
【 关键词】 螺旋折流板 弓 形折流板 螺旋角 总传热系数
－■‘ ＿ Ｉ Ｉ ．
一
、
刖 置
体内垂直于换热管束，使壳侧形成若干个并列折返通
道 ，介质急剧改变流向必然产 生严重的 压力损耗 ，同时
换热器是工业生产 中的一 种重要设备 。在 化工 、石 油化学 、食品等行业 中有着广 泛的应用。在石 油化 工行 业 中主要采用管壳式换热 器 ，弓形折流板换热 器最 为常 用 （ 见图 １ 。随着工业 的发展 ，节能越来越重要 ，对换 ） 热器的要 求也 越来 越 严格 ，不 仅希望 换 热效 率达 到 要
括 ：①冷水 的储罐 。②热水 的储罐 及加热 系统。③热油
ｂ ｏ
的储罐及加热部分。④循环 动力系统。试验流程 图见 图
３
Ｚ
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图 ４ 流 量 一压降关 系
螺旋 角为 ３。 ４。 ，切 向速度大 于轴 向速度 ，螺 ０与 ０时
图 ３ 试 验流 程 图
１ 热流体储罐 ２ 换热器 ． ． ４ 冷水储罐 ５ 截止阀 ６ 流量计 ． ． ． ３ 温度计 ． ７ 压力表 ． ８ 泵 ．
管壳式换热器壳侧传热与阻力性能的实验研究与预测
卜—冷水箱；２、１０、１５、２３一阀门；３一冷水泵：４、１】、１７一电磁阀门；５、１８—流量计；６、１９—快速加热器； ７、２０—热电偶；８、２１—压力计：９、２２—差压计：１２一冷却换热器；１３一油箱；１４－动Ⅱ热器； １６一油泵； ２４一油膨胀箱；２５—冷却塔回路水箱；２６、２８一阀门；２７—水泵：２９—冷却塔；３０＿嘲４试换热器
ＡＢＳＴＲＡＣｍ Ｐｅｒｆｏｒｎｌａｎｃｅｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒ蛐ｓｆｅｒ肌ｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ
的传热及阻力性能进行了实验研究，实验介质管侧为水，壳 侧为油；同时基于壳侧传热实验数据；应用遗传算法预测了 换热器的总换热量。实验结果表明：在相同的壳侧流量下， 螺旋折流板换热器的阻力要高于弓型折流板换热器，正进 正出螺旋折流板换热器的阻力高于侧进侧出螺旋折流板换 热器；螺旋折流板换热器的换热系数高于弓型折流板换热 器，侧进侧出螺旋折流板换热器高于正进正出螺旋折流板换 热器，而且流量越大这种优势越明显。预测结果表明通过遗 传算法得到的传热关联式所得的换热量比采用线性回归所 得的更加接近实验数据，表明遗传算法可应用于工程中换热 设备性能的预测。 关键词：换热；压降；管壳式换热器；实验研究；连续螺旋 折流板；预测；遗传算法 ０
１
１．１
实验系统及实验元件
传热与阻力性能实验系统 实验系统的简单示意图见图１（详见文献【１２】）。
生产、运筹学、电力系纠６。７】等学科，近几年来应用
到能源动力系统［８。０１。遗传算法是模拟生物在自然 环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全
实验系统主要由３部分组成：油路循环系统、水路 循环系统以及冷却塔回路系统，可以实现油水换热 的实验功能。
曲Ｄｕｇｈ
ａｎｄ ｍｅ
ｓｈｅｌｌ－ｓｉｄｅ
螺旋折流板管壳式换热器结构特点剖析
【 关键词 】 化工机械 ； 换热器 ； 传热面积 ； ； 能耗 适应性 ； 环经济： 循 节能减排 ： 热传递
２ 连续与非连续螺旋折流板 ． １ 要使 壳程工质形成理想的连续螺旋流动 ． 折流板应 该是 一系列 连 在工业生产 中， 换热器 的主要作用是使热量 由温度较高的流体传 续 的螺旋曲面 ． 可称之 为连续 型螺旋折 流板 ． 其结构类似于常见 的输 递 给温度较低 的流体 ． 使流体 温度达到工艺 流程规定 的指标 ． 以满 足 送 固相介质 的搅龙 过程工 艺条件 的需要 ， 也是余热 、 废热 回收利用 的有效装置 。 换热器作 连续螺旋折 流板可使壳程流体形 成相对 连续平稳 的螺旋 流动 ． 但 为一种 通用的热工过程设备 在炼油 、 工 、 化 环保 、 发电 、 制冷 、 品 、 食 新 受 螺旋结构的限制 ， 壳体中心 区域需要加装 假管 ． 其 从而降低 了壳体 能源利用等许多工业部 门中广泛使用 。以石油化工 厂为例 ． 换热器 占 空间的利用率 ， 换热器紧凑性下降。 此外 ． 连续螺旋折流板换热器的加 建厂总投 资的 ２％左右 ， ０ 在全厂化工设备总重量中约 占４ ％。鉴于换 ０ 工 制造 安装也 比较复 杂 ．给产品 的进一步 大型化和推广应用带来 困 热器在工业生产 中的重要作用 ． 改进典 陛能和提 高其效 率成为节能减 难。 排 的重要途径 ， 将产生显著 的社会和经济效益 。 目 应用中的螺旋折流 板换 热器大多采用一 系列法向与换热管 前 轴 向成 一定夹 角的扇形平 面板进 行搭接 ． 形成 近似 螺旋面 ． 可称之为 １ 管壳式换热器综述 非连续螺旋折流板。 相邻两块折流板间会形成一个三角区 ． 导致漏 流． １ 横 向流支撑结构 ． １ 壳程流体进行的是“ 伪螺旋状流动 最有代表性 的横 向流支撑结构是单 弓形折流板 ． 结构简单 ． 其 制 ２２ 螺旋角 ． 造安 装方便 ． 因而 目前应用 最广泛 ． 发展最成 熟 ， 计资 料也较 为完 设 螺旋角又称折流板倾角 ． 连续螺旋折 流板螺旋角 的定义为折流板 备 在单 弓形折流板管壳式换热器 内， 壳程流体经过折 流板的圆缺部 在壳体上形成的螺旋曲线切线与壳体横截面间的夹角 口 。非连续螺旋 分后垂直掠过管束 ． 并在折流板的作用下进行“ ” ｚ 字形流 动 ． 流体湍流 折流板螺旋角的定义为折流板 法线方 向与换热管轴心的夹角 。 程度强 ． 传热效率高 ． 但缺点也较明显 ： ２ 螺旋折流板裁剪方式 － ３ （） １流体反复横 向冲刷换热管束并不断剧烈改变流 动方 向会产生 非连 续螺旋折流板按照裁剪 方式还可 以分 为四分之一椭圆和 四 较大的形体阻力 ． 壳程压降往往超出允许值。 分之一扇形两种形式 四分之一椭 圆螺旋折流板的长短边分别 为折流 （） ２ 在折流板与壳体相连处存在流动死区 ， 结垢严重需 经常清理 ， 板所在椭 圆的长短轴 ． 四分之一扇形螺旋折流板左右对称 。每片椭 圆 停工检修频繁 ： 型钢板采用 四分之一椭圆裁剪 方式可 以裁 出四块折流板 ， 采用 四分之 ・３流动死 区同时也是传热死 区， （） 降低了壳程换 热系数 ； 扇形裁剪方式可以裁出两块 折流板 ． 前者材料利用率更高不 留边角 （） ４ 壳程 流体剧烈 冲刷 换热管束 ． 而窗 口区管束无 支撑跨距是 折 料 。 流板间距 的两倍 ． 易产生流体诱导振动 ． 导致换热管磨损甚 至断裂 ， 缩 ２ 相邻折流板搭接方式 ． ４ 短 了换热器寿命 相邻 非连续螺旋折流板 之间有外围点接触 的连续 搭接和直边交 １ 纵 向流支撑结构 ． ２ 叉点接触 的交错搭接两种布置方式 采用交错搭接布置可以在其他结 最有代表 性 的纵 向流换热器是 上世 纪 ７ 年代美 国 Ｐ ｉｉ 石 油 构参数不变的情况下减小螺距 。 ０ ｈｎ ｓ Ｐ 增加折流板数量。 搭接量 ｅ 的定 义为 ： 公司为解 决传统 弓形 折流板支撑结构 中换热管 与折流板的切 割破坏 ２ ０ ％ ｌ ｘｌ ０ ｅ ＝ 和流体诱导振动而开发的折流杆管壳式换热器 ． 其壳程支撑结 构为管 间排布的支撑杆组成的折流栅 。相关研究表 明， 折流杆壳程 支撑结构 式 中：为相邻折流板搭接点到壳体 内壁 的距离 。Ｄ 为壳体 内径 。 ｆ 拥有诸多优点 ： 连续搭接时可认为搭接量 ｅ ０ ＝ （ ） 先它 的轴 向流动方 式 ， 少 了壳程 流体 的滞 流 、 １首 减 回流和 死 交错搭 接后相邻折流板 间除靠 近壳体 中心 的三角区外还会形成 区． 提高了佩克莱常数 Ｐ 值 ． 了壳程 压降和污垢沉 积； ｅ 减少 个靠近壳体内壁的搭 接区 ． 两处漏流均会对壳程流动产生影响 。 （ ）折流杆后的卡 门涡街脱落效应在传热管子表 面产 生湍流 ， ２ 提 ２５ 螺 距 ． 高了壳程单位压降下的对流换热系数 ； 连续螺旋折流板一个螺旋 周期在轴 向的长度称为螺距 。 于非连 对 （） ３ 折流 杆的夹持作用 能够抑制换 热管束 的破坏 性振动 ， 使冷 换 续螺旋折流板相邻的两个相 同位 置折流板的轴向间距 称为螺距 。 每个 设备大型化成为可能 。 螺距 内所有螺旋折流板在管板 方向投影拼接为一个整圆。 一个 螺距 内 １３ 螺旋流支撑结构 ． 折 流板 的数量越多 ． 壳程流动越 接近连续螺旋流动。 一般来说， 出于加 螺旋流是介于横 向流和纵向流之间的一种壳程流体流 动形 态 ． 兼 工方面的考虑 ． 一个螺距 内为 ２ ４块折 流板 。有文献给 出了不 同形式 ＿ 有横向流和纵 向流的优点 ， 可大体概括为换热效果好 、 壳程压 降小 、 管 螺旋折流板换热器螺旋角 口与螺距 Ｂ的通用计算公式 ： 柬不易结垢以及能防止管束流体诱导振动等。 借助螺旋折流板可实现 日 （一 ）Ｄ ｓ ｔ ，ｎ ２０ ） ： １ｅ ｒ ， ｎ ａ （ Ｉ ，≤ ｔ ｉ ＞ 壳程工质的螺旋或近似螺旋流动 螺旋折流板 管壳式换热器 由前捷 克
螺旋折流板换热器传热和流动性能分析
94在化工装置中管壳式换热器型式众多，当壳侧流体流量大且压降限制严格时，通常会采用双弓形折流板形式。
但是双弓形折流板在支撑结构和流动方式上存在诸多缺陷：壳侧流动存在冲刷不充分的流动死区、死区内局部换热系数低，壳侧整体换热不均匀，同时死区容易结垢，威胁换热设备的安全运行[1]。
为了提高壳侧单位压降下传热和避免壳侧由于沉积污垢造成的腐蚀泄漏，工业应用中越来越多的采用螺旋折流板代替壳侧弓形折流板，使壳侧在螺旋折流板引导下形成复杂的螺旋流形态，提高管束间的流速、实现壳体横向截面流体充分混合同时壳侧压降不增加，从而达到强化传热的目的[2]。
工程应用中最多采用的为四片式螺旋折流板结构，见图1，螺旋折流板一个螺旋节距的长度上是由四片式扇形板片按一定的安装倾角上、下、左、右交错排列而成，再用定距管将其定位，使其形成螺旋状[3]。
但是四片式螺旋折流板结构为非连续螺旋折流，中间相邻板片间会出现三角形的漏流区，严重削弱了传热能力[4]。
针对四片式螺旋折流板三角区短路漏流的缺点，中国石化工程建设公司联合抚顺化工机械设备制造有限公司和辽宁石油大学提出了一种新型的六片式螺旋折流板换热器型式，并获得专利授权[5]。
图1 四片式螺旋折流板 图2 六片式螺旋折流板1 模型设置1.1 几何模型三维数值模拟用SolidWorks分别建立尺寸180x1200mm下六片式螺旋折流板、四片式螺旋折流板和双弓折流板结构，设备型式BEM，水平安装，10mm换热管，正方形布管，换热管间距13mm，布108根换热管，换热器所有材质均采用碳钢。
双弓折流板结构采用16块折流板，间距60mm。
六片式螺旋折流板和四片式螺旋折流板都采用10度螺旋角，搭接度42%[6]。
由于管束元件较多，内部结构复杂，本文对换热器的结构进行适当简化如下：（1）认为换热管与折流板、筒体与折流板和管束与壳体都为紧密切合，忽略流体通过缝隙渗螺旋折流板换热器传热和流动性能分析宁静 中国石化工程建设有限公司 北京 100101 摘要：利用CFD分析软件FLUENT，研究10度螺旋角条件下，六片式螺旋折流板换热器和常见四片式螺旋折流板换热器传热和流动特性，并与双弓形折流板换热器进行对比。
螺旋折流板换热器壳侧结构改进及模拟研究
是时均旋转率张量 ：
１２ 雷诺应 力模 型 （ Ｓ ． Ｒ Ｍ）
在螺旋 折流板换 热器 壳侧 （ ） 程 的流体流
（ ） Ｏ詈 Ｕ ｊ 一
Ｃ１ ． ＝３ ４， Ｃ ２＝４ ２， ． Ｃ ＝１ ３， ３ ． Ｃ ５＝０ ４ ． Ｃ１ ＝１ ８ ． Ｃ ３＝０ ８ ． Ｃ ４＝ １ ２ ．５
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《 化工装备技术》 第 ２ ７卷 第 ５ ２０ 期 ０６年
３ ７
螺 旋 折 流 板换 热器 壳侧 结构 改进及 模 拟 研 究
何军 民 沈 人杰 冯 霄
（ 西安交通大学化工 系）
摘
要 改进 了螺旋折流板换热器的结构 ，在常规结构的壳侧增加环形挡板。采用
其中
ｉ ＝一 ｉ ｎ
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３ ８
为雷诺应 力 张量 ；
螺旋折流板换热器壳侧 结构改进及模拟研 究
一
ｓ
１ ｕ￣ ， Ｏ
＋
詈 ）
（） ３ ｊ １
（ ｌ ＋ １ｒ ）ｉ Ｃ ， Ｃ ＊ｎ ｐ ￣ ｍ ６ ｊ
＋Ｃｐ （ ｉ 一— ２ｓ ｂ ｂｊ ｋｋ ｂ ６ ）
为 时均应 变张量 。 能量 方程
ｐｐ ｐ ｃ
ａ ｋ ｑ ｒ ｏ ｋ ａ 帆 ＝ 一 帆 ＋ 一 ａ ｋ ｋ
＿ ＿
＋ Ｃ 一 ３ ￣ ｌｊ ｋｕ （ ３ Ｃ’ ｂ ｉｐＳ ｊ） ｂ
＋ ４ （ｉｊ ｂＳ 一 ） Ｃ ｋｂＳ ＋ｊｉ 号６ Ｓ ｐ ｔｋ ｋｋ
＋ｃ （ ｉ ｋ ６ ｉ ５ ６ ＋ ｉ ｋ ｋ ｋ ） （） ６
ｕ
ａ ｓ ｓ ｄ ｕｉ ｐ ｊ ＬｅＰ ｌ
弓形折 流 板后 面 的卡 门 涡 ，防 止 流 动 诱 导振
周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能
热 器 的 试 验 结 果 ，表 明试 验 范 围 内 的最 佳 方 案 是 倾 斜 角 ２ 。 案 ，其 平 均 壳 侧 传 热 系 数 、压 降 和 综 合 指 标 （ 。 Ｏ方 ｈ／
Ａ 。 与 弓 形 折 流板 换 热 器 的数 值 之 比分 别 为 １１ ２ ． ６ ｐ） ． ２ 、０ ５ ６和 ２０ ５ ．３ 。 关 键 词 ：螺 旋 折 流 板换 热器 ；周 向重 叠 ；三 分 螺 旋 折 流 板 ；逆 向漏 流 ；倾 斜 角
ａ ｏｄ ｔ ｅｓ ｏｔｕ ｒ ｎ ｕａ ｏ ｅ ｆａｊｃｎ ａｆ ｓ Ｉ ｉ ｔ ｅｒｗ ｆｔ ｂ ｓａ ｈ ｕ ｃｉｎ ｔｉｎ ｌ ｏ ｄａｅ ｔ ｖ ｉ ｈ ｈ ｒｃ ｔｉ ｔｉ ｇ ｌｒｚｎ ｓｏ ｄａｅ ｔｂ ｆ ｅ． ｔ ｓ ｈ ｏ ｏ ｕ ｅ ｔｔ ｅｊ ｎ ｔ ｒ ｇｅ ｆａｊｃｎ ｎ ａ ｌ ｏ ａ
ＤＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓｎ ０ ３ — １ ７ ２ １ ． ５ ０ ５ ：１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ４ ８１ ５ ． ０ ２ ０ ． ０
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ Ｋ １４
文 献标 志码 ：Ａ
文 章 编 号 ：０ ３ — １５ （０ ２ ０ — １６ —０ ４８ １７ ２１） ５ ３０ ７
第６卷 ３
第 ５期
化
工 学
报
Ｖｏ． Ｎ Ｏ １ ６３ ．５
Ｍａ ２ ２ ｙ ｏ ｒ ａ
周 向 重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 壳侧 传 热 性 能
孙 海涛 ， 陈亚平 ，吴嘉 峰
（ 南 大 学 能 源 与 环 境 学 院 ，江 苏 南 京 ２０ ９ ） 东 １ ０ ６
摘 要 ：探 析 了周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 高 效 强 化 传 热 性 能 的 主 要 机 理 ，周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 除 了 具备 螺旋 折 流 板 换 热 器 的一 般 特 点 外 ，还 同 时 具 有 适合 正 三 角形 布管 方 案 和 防 相 邻 折 流 板 之 间 短 路 的功 能 ； 指 出 周 向 重 叠 方案 相邻 折 流 板 连 接 处 三 角 区 内 的 一 排 管 束 可 以 有 效 抑 制 因 上 下 游 通 道 的压 差 引 起 的逆 向 泄 漏 ； 介 绍 了倾 斜 角 为 ２。 ４、２ 。 ３ 。 ｏ 、２ 。 ８和 ２ 的单 头 螺 旋 、３。 头螺 旋 周 向重 叠 三 分 螺 旋 折 流 板 换 热 器 和 弓 形 折 流 板 换 ２双
螺旋折流板列管换热器
冷换 设 备是炼 油 化工 发 电等行 业工 艺流
总 传 热 系数 Ｋ 值 一 直 停 滞 在 较 低 状 态 ．
它 在炼 油厂的应 用效 果 目前 国内最 大 的冷 换设 备换热 面积 只有 ｌ ０ ～２ ０ ｍ。 而国外可 达 到 ００ ００ ．
５ ０ ０ ０～ ６ ０ 。 ００ ｍ
．
进人 ２ 世 纪 ７ （ Ｊ ０年代 后 ． 随着 石 化 行 业 技 术 的发展． 国外 冷 换 设 备 技 术 也 有 了显 著 的进 步 首先 在冷 换 备 两个 传热 界面之 一 的管程 采用 了 螺纹 管 、 形 管 、 异 内插 物 等 强化 传 热薪 技 术 ， 管 使 程传 热有 丁较 大 的突破 但 是 从间壁 传热 原理 上 讲． 控制 一 台换 热 设 备传 热 效 率 的 是传 热 能 力 相
甚 至更 多 他 们 的决 窍就是 采 用
了螺旋折 流板 新型结 构 螺旋折 流板式 换热 器 和 传 统 的弓形折 流板换 热器 唯一 区别就是 折 流板 在 壳 体 中结 构形 式 的改变 弓形 折流板 在壳 体 内垂 直 于换 热管束 ． 使壳侧 形 成若干个 并列 折返 通道 ． 介 质急 剧改变 流 向必 然 产 生严 重 的压力 损 耗 ． 这 是此类 型换热 器能耗 大 的主要原 因 同时 在两 个 折流通 道变 向过渡 区域 ． 体 取 最短 路 程斜 向前 流
程 中 的 主 要 设 备 以 炼 油 厂 为 例 ．冷 换 设 备 占设 备 总 金 属 消 耗 黾 的 ２ 左 右 它 既 是 工 艺 流 程 Ｏ
三分螺旋折流板换热器壳侧换热系数的关联式
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ — ５ ５ ２ １ ． １ ０ ８ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ．０ １ 热 器 壳侧 换 热 系数 的关 联 式
李 彦 晴 陈亚 平 刘 化瑾 王伟 晗 周 兵
（ 东南大学能 源与环境学院 ， 南京 ２ ０ ９ ） １０ ６
ｂｆ ｅ ｅｉ ｈ ａ ｅｃ ａ ｇｒ ｗ ｔ ｃ ｎｄａ ｇｅ ｆ ０ ， ５ ａ ｄ ０ ｓｃ ｒ ａ ｅ ） １ 。（ ｌｐｅ ａｆ ｄｈ ｌ ｅ ｔ ｘ ｈ ｎ ｅｓ ｉ ｉ ｌ ｅ ｎ ｌｓ 。 １ 。 ｎ 。（ｅ ｔ ｆ ｓ ， ５ ｅ ｉｓ ｌ ｘ ｈ ｎｉ ｏ１ ２ ｏ ｂｌ ｌ ｂｆ ｅ ） ａ ｄ２ 。 ｏ ｅｌｐｓｃ ｒ ａ ｅ ）ａｅｐｅｅ ｔ ．Ａｓ ｏ ａｓ ｎｓｈｍｅｔｅｒｓｌ ｏ ａ ｓ ， ｎ ０ （ ｖ ｒ ｅ ｔ ｆ ｓ ｒ ｒｓｎｅ ｌ ａ ｏ ｂｌ ｄ ｃ ｍｐ ｓｉ ｃ ｅ ｕｔ ｆ ｍ ａ ａ ｏ ｈ ｅ ｓｒ
第４ ０卷 第 １ 期
２１ ０ ０年 １月
东 南 大 学 学 报 （自然 科 学版 ）
交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能_王秋旺
第56卷第4期化工学报Vol156No14 2005年4月Jour nal of Chemical Industr y and Engineer ing(China)April2005研究论文交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能王秋旺1,罗来勤1,曾敏1,王良1,陶文铨1,黄彦平2(1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049;2空泡物理和自然循环重点实验室,四川成都610041)摘要:对交错搭接螺旋折流板换热器壳侧的流动与传热性能进行了实验研究,着重研究了内插假管及不同螺旋角度对壳程传热和阻力的影响,并与传统弓形折流板换热器进行了对比.结果表明,假管的存在反而使传热综合性能下降,同时,在相同的壳侧流量下,螺旋折流板换热器的壳程阻力和壳侧传热系数均随螺旋角的增大而减少,且小于同样条件下弓形折流板换热器的相应值.与弓形折流板换热器相比,螺旋折流板换热器的特点是单位压降下的壳侧传热系数高.关键词:交错螺旋折流板;管壳式换热器;假管中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:0438-1157(2005)04-0598-04Shell2side heat transfer and pre ssure drop ofshell2and2tube hea t e xchangers with ove rlap helical bafflesWA NG Qiuwa ng1,L U O Laiqin1,ZENG M in1,WA NG Lia ng1,T AO Wenquan1,HU AN G Yanping2(1Sta te K ey La b ora tor y of Multiphase F low in P ower Engineer ing,Xi.an J ia otong Univer sity,Xi.a n710049,S ha anxi,China;2State Key Labor a tory of Bub ble P hysics a nd N atur al Cir cul ation,Cheng du610041,S ichuan,China)A bstract:The shell2side pr essure drop and heat tr ansfer performance of shell2and2tube heat exchangers with overlap helical baffles were studied experimentally in comparison with those of traditional segmental baffles heat exchanger s.T he influences of inserted dummy tubes and helical angles wer e investigated in detail.It was found that the presence of dummy tubes deteriorated the over all heat transfer performance of heat exchangers with helical baffles.T he shell2side pressure drop and heat transfer coefficient decreased with the increase of helical angle at indentical shell2side mass flow rate,and both of them were lower than those of the corr esponding segmental2baffle heat exchangers.The shell2side heat transfer coefficients for the helical2baffle heat exchangers wer e higher than those of the segmental2baffle heat exchanger s at the identical shell2side pressure drop.Key words:over lap helical baffles;shell2and2tube heat exchanger;dummy tubes2004-02-17收到初稿,2004-06-02收到修改稿.联系人及第一作者:王秋旺(1969)),男,教授.基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(51482100204J W0801).Rece i ved date:2004-02-17.Corres ponding author:Prof.WANG Qiuwang.E-mail: wan gqw@mail1x jtu1edu1cnFoundati on item:supported b y Research Foundation of Key Laboratory of National Defense Scien ce and Techn ology (51482100204JW0801).引言管壳式换热器在化工、能源等领域占据着主导地位,在我国全部换热器产量中约占80%[1].在这种换热器中,折流板起着改变流体流动方向和支撑管子的作用.传统弓形折流板换热器中,壳侧流体呈弯曲的之字形流动.但这种折流板的布置形式带来了很多问题[2,3]:沿程压降大;易产生流动滞止死区;旁流和漏流降低了有效横掠管束的质量流速;高的质量流速诱导换热管的振动,缩短了换热器的寿命.因此,为了节能及节材,迫切需要改变传统的折流板结构形式.20世纪90年代,针对弓形折流板换热器壳侧流动的上述缺点,国外科研人员提出了螺旋折流板换热器的概念,并由ABB公司于1994年实现了产业化.它基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置,使壳侧流体呈连续螺旋流动.通常采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接,在壳侧形成近似的螺旋面,使换热器中的壳侧流体产生连续的螺旋状流动,以达到有效地降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的.折流板与折流板之间的搭接方式可以是折流板外围点接触的连续搭接和折流板交叉点接触的交错搭接.另外,按流道又可分单螺旋和双螺旋[4].由于涉及商业机密,目前这方面的参考文献比较有限[4~10].不同的螺旋折流板结构,其壳侧的流动情况差异也很大.所以有必要对其壳侧流动情况进行仔细的研究.本文对3种螺旋角下的交错螺旋折流板换热器的传热及阻力性能进行了实验研究,并与传统弓形折流板进行了对比.1实验系统及实验过程实验系统主要由两部分组成:壳侧的油路循环系统和管侧的水路循环系统(如图1所示).实验所用元件为浮头式124型换热器,其两端封头里加有隔板,构成了4管程的结构.由于隔板的存在,在换热器十字缝处不能布置换热管,这样在换热器壳侧会产生十字缝,容易引起流动的短路.为了减少从十字缝处的短路流动,可以在十字缝处布置不穿透换热器两端挡板的实心棒.由于这种实心棒内无流体流动,不参与换热,故称之为假管.此外,单交错螺旋折流板布置的换热器在相邻折流板之间会产生三角区.如果用一块平面三角板(称之为阻流板)将其堵上,强迫流体沿着螺旋通道流动,使流动更接近螺旋的柱塞状流动.文献[10]对阻流板的影响进行了讨论,结果表明:在相同的壳侧流体进口流量下,壳侧传热系数提高20%,而壳侧流体沿程压降增加约一倍.在相同压降下,不加阻流板的壳侧传热系数优于加阻流板的试件.本文将对不同角度的螺旋折流板换热器是否加假管的传热与阻力性能进行实验研究.实验元件如表1所示.Table1Tested heat excha ngersT ype of baffleWith or withoutdu mmy tu beH elical angles egmental with)s egmental without)h elical with10bh elical without10bh elical with15bh elical without15bh elical with2215b2实验结果及讨论211假管对传热和阻力性能的影响以15b的螺旋角为例,在相同的壳侧流量下,带假管的壳侧阻力高于不带假管的,而其传热系数则低于不带假管的,见图2和图3.这是因为假管不参与换热,但其存在一方面增加了流体扰动,另一方面减小了流体沿半径方向的速度梯度,从而削弱了传热.从这个意义上来说,假管的作用相当于文献[4]中的中心管.文献[4]的研究表明:在相同Re时,无论加热或冷却,使用中心管结构的#599#第4期王秋旺等:交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能N u 都明显低于不用中心管的结构,无中心管的比有中心管的螺旋折流板换热器壳侧传热系数高出30%,该文对此的解释为中心管的存在抑制了涡旋核心的产生,因此减弱了换热.F ig 12 I nfluence of dummy tubes on pressur edropFig 13 Influence of dummy tubes on heat tr ansfer212 传热与阻力性能的评价将螺旋角分别为10b 、15b 和2215b 的螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器进行了传热及阻力性能的比较,结果如图4~图6所示.从图4可以看出:相同的壳侧流量下,弓形折流板换热器的壳侧传热系数大于螺旋折流板换热器的,并随着螺旋角的增大而减小.而阻力性能可从图5看出:相同的壳侧流量下,弓形折流板换热器的壳程阻力大于螺旋折流板换热器;壳程阻力随着螺旋角的增大而减小;而且螺旋角越大,阻力随流量增大的速率越小,与弓形折流板换热器的壳程阻力差距越大.图6则显示了不同试件的综合性能,可以看出:随着壳侧油流量的增加,单位压降下的壳侧传热系数迅速下降,然后趋于平缓;在相同的壳侧油流量下,不同试件单位压降下的壳侧传热系数的规律是螺旋折流板换热器的大于弓形折流板换热器的,而且在实验范围内,随着螺旋角的增大而增大.即:2215b >15b >10b >弓形折流板换热器.实验结果表明,在相同的壳侧流量下,壳侧传热系数随螺旋角的增大而减小.主要原因如下:¹对于螺旋折流板换热器,壳体内径、螺旋角及折流F ig 14 Heat t ransfer coefficients vs flow rateF ig 15 Pressure drop vs flow r ateF ig 16 h /$p vs oil flow r ate板间距三者是相互关联的.当壳体内径一定时,折流板间距随着螺旋角的增大而增大,因此,壳侧最小截面面积也随之增大.在相同的壳侧流量下,大螺旋角试件最小截面的流速较低,不利于换热.º由于折流板的引导及三角区流动,流体的流动方向与换热管平行或有一倾角,这要比垂直冲刷管束的流动换热效果差.据文献[7],用非均匀流冲刷有一倾角的换热管束来模拟螺旋折流板换热器壳侧两块折流板之间的流场,其换热性能随着角度的增大而增强,且40b 时最佳.但这是对于换热管束的实验,并不能完全解释换热器壳侧流动形式.原因如下:¹由于折流板的布置方式,使流动并不是按所预想的螺旋通道流动,有相当一部分是沿着三角区流动的,只有当壳侧流量较高时,三角区流动占总#600#化 工 学 报 第56卷流量比例很小时,流动形式才会较接近理想的螺旋流动的形式.因此,文献[7]中管束实验的流动形式不能完全代表换热器壳侧的流动形式.º在螺旋流动为主导的流动中,由于换热管排列方式的不同,导致不同换热管外壁附近的流体流速分布也有很大差别,离中心轴线越远,流速越高,而在管束实验中,没有这样的速度分布.»对换热器的评价要同时考虑换热及压降两方面的影响,而压降的影响因素是很多的,包括折流板的布置、换热管的布置、加假管、阻流板、进出口导流板的布置及壳体与管束之间的旁流、换热管与折流板之间的漏流影响等诸多因素.3结论本文对交错单螺旋布置的螺旋折流板管壳式换热器壳侧的结构、流动、传热及阻力性能进行了热态实验研究,结果表明:¹假管的存在使换热器壳侧压力损失增加,但却使换热效果变差,换热器的综合传热性能下降;º在相同Re下,壳侧传热系数和壳侧沿程压降均随着螺旋角的增大而减小,而后者减小的速率要低于前者.螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比,其特点是单位压降下的壳侧传热系数高.这就意味着在获得相同的壳侧传热系数条件下,螺旋折流板换热器壳侧阻力将小于弓形折流板换热器,同时其流量要大于弓形折流板换热器.符号说明h)))表面传热系数,W#m-2#K-1N u)))Nusselt数P r)))P randt l数$p)))压力降,P aRe)))R eynolds数B)))螺旋角,(b)Re f e re nces[1]J in M ingcong(靳明聪),Chen g Shangm o(程尚模).H eatExchan gers(换热器).Ch on gqing:Ch ongqing U niver sityPres s,1990[2]Li H D,Kottk e V1Vis ualization and determination of localheat tran sfer coefficients in s hell2and2tube heat exchangersfor staggered tube arrangemen t b y mass transfermeasu rem ents.E xp er imen tal Th ermal and F lu id Science,1998,17:210)216[3]Reppich M,Zagermann S1A new des ign method forsegmen tally b affled heat exch ang p uter s Chem1Eng1,1995,19:137)142[4]Lutcha J,Nemcans ky J1Performance improvem ent oftubular heat exch angers by h elical baffles.Tr ans1I ChME,1990,68(A):263)270[5]Wang Suh ua(王素华),Wan g Shuli(王树立),ZhaoZhiyong(赵志勇).Studies on flow characteristic of h eatex changer s with helical baffles.J ou rnal of P etrochemicalUniversities(石油化工高等学校学报),2001,14(3):64)67[6]Steh lik P,Nemcansky J,Kral D1Comparison of correctionfactors for sh ell2and2tu be heat exchangers with segmen tal orhelical b affles.H eat T ransf er Eng ineering,1994,15(1):55)65[7]Kral D,Stelik P,van der Ploeg H J1H elical baffles in shell2an d2tube h eat ex changer s#Ñ#Experimen tal verification.H eat T ransf er Eng ineering,1996,17(1):93)101[8]Chen Shixing(陈世醒),Zh ang Kezheng(张克铮),Zhan gQiang(张强).Experimental inves tigation of th e helicalbaffles heat ex changer for high vis cosity fluid.J ournal ofF ushun Petr oleum Institute(抚顺石油学院学报),1998,18(3):31)35[9]Zh ang Kezhen g(张克铮),Chen Shixing(陈世醒),Zhan gQiang(张强).Ex perim ental Investigation of th e helicalbaffles heat exchanger for low vis cosity flu id.J ou rnal ofF ushun Petroleum I nstitute(抚顺石油学院学报),1998,18(3):36)38[10]Wang Liang(王良),Luo Laiqin(罗来勤),Wan gQiuwan g(王秋旺),T ao Wenquan(陶文铨).Effect ofinserting block plates on pres sure drop and heat transfer insh ell2and2tub e heat exchangers with helical baffles.J our nalof En gineer ing T her mop hy sics(工程热物理学报),2001,22(S):173)176#601#第4期王秋旺等:交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能。
不同螺旋角螺旋折流板换热器壳侧传热性能研究
２０ ０ ６年 ８月
文 章 编 号 ：０ ７２ ５ （０ ６ ０—０ ５０ １０ —８ ３ ２０ ）４０ ６ —４
不 同螺 旋 角 螺 旋 折 流 板 换 热 器 壳 侧 传 热 性 能 研 究
孙 洪 涛
（ 中国石油天然气股份公司 前郭石化分公司 ， 吉林 松原 １８ ０ ） ３ ０ ８
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第２ ３卷
第 ４期
吉 林 化 ｒ 学 院 学 报 ＝
Ｊ Ｉ Ｌ Ｏ Ｉ Ｎ Ｉ ＴＩ Ｏ ／ ＮＡ Ｆ ＪＬｌ ＮＳ ＴＵＴ Ｆ ＣＨ Ｅ Ｏ ＥＭＩ ＡＩ ＴＥ ｛ ０Ｌ ＧＹ Ｃ ＣＩＮ ０
ＶＯ ． ３ ＮＯ ４ Ｉ２ ． Ａｕ ２ ０ ｇ． ０ ６
型折 流 板 换 热 器 ， 且 随 着 螺 旋 角 的增 大 而 增 而 大 ， 得 出 ４ ／ ８ 并 ０７ １０为 最 佳 螺 旋 角 ， 于 ４ ／ １ 大 Ｏ７ 【
热器是一种 传统 的管壳 式换热 器 ， 弓型折 流 但 板换 热器的这种结 构存 在着壳侧流体流动方 向 改变频 繁 ， 程压 降较 大 ， 出现 流动死 区 、 沿 易 旁
螺旋折 流板 换热 器 的设 计指 导思想 是改 变传 统 弓形折 流板 的 Ｚ形 流 动 方式 ， 法 将 折 流板 设 设
计成与管束有一个倾斜角度 ， 布置成近似的螺旋
ｃｎｋ 对于有无 中心管 的相同角度和结构（ ａｓｖ 壳体
内径 与 中心 管 外径 之 比为 ５ ３ 的 螺 旋 折流 板 换 ．） 热 器 进 行 了 试 验 ． 究 结 果 表 明 ： 相 同 的 Ｒ 研 在 ｅ
收稿 日期 ：０ ６—０ ２０ ７—１ ２ 作者简介 ： 孙洪涛（ ９ ２ ， ， １７ 一）男 吉林松原人 ， 中国石油天然气股 份公 司前郭石化分 公司工程 师 ， 在读 硕士， 主要从事 机械工程方面的研究 ．
三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能
ＤＯＮＧ ｎ Ｃｏ ｇ，Ｃ ＨＥＮ Ｙａ ｉ ｇ ｐ ｎ ，Ｗ Ｕ Ｊａ ｅ ｇ ｉｆｎ ，ＣＡＯ ｉ ｉｇ Ｒｕｂ ｎ 。Ｓ ＨＥＮＧ ｎ Ｙａ ｊ ｎ，ＮＩＭｉ ｇｏ ｇ ａ ｎ ｌｎ
（ ｙＬａ ｏ ａ ｏｙ ｏ ｅｇ ｅｍａ ｏ ｖ ｒｉｎａ ｄ Ｃｏ ｔｏ ，Ｍｉ ｉｔｙ ｏ ｕ ａｉｎ，Ｓ ｈ ｏ ｆ ｅ ｇ ｎ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆ Ｅｎ ｒ ｙ Ｔｈ ｒ ｌＣ ｎ ｅ ｓｏ ｎ ｎｒ ｌ ｎ ｓｒ ｆ Ｅｄ ｃ ｔｏ ｃ ｏ ｌ Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｄ ｏ
Ｅｎ ｉｏ ｍｅ ｔ Ｓ ｕｈ ａ ｔ ｉｅ ｓｔ ｖｒ ｎ ｎ ， ｏ ｔｅ ｓ ｖ ｒｉｙ， Ｎａ ｊｎ １ ０ ６ Ｊｉｎ ｕ， Ｃ ｉａ Ｕｎ ｎ ｉｇ ２ ０ ９ ， ａ ｇｓ ｈｎ ）
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｅｘｐ ｒｍ ｅ ａ ｔ ｙ ｗ ａ ｏｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｉｅ ｔｏ ｌｃ ｌ ｂ ｆｌ ｅ ｔｅ ｈａ ｇｅ ｓ ｗ ｉｈ ｔ ｒ ｅ ｓ ｃ ｏ ｓｒ ｃ ： ｅ ｉ ｎｔ ｌｓ ｕｄ ｓ ｃ ｄｕ ｔ ｄ ｉ ｒｓ ｃ ｉ ｎ ｈｅｉ ａ ａ ｆｅ ｈ ａ ｘｃ ｎ ｒ ｔ ｈ ｅ ｅ ｔ ｒ
关 键 词 ：螺 旋 折 流板Fra bibliotek换 热 器 ；三 分 螺 旋 折 流 板 ；倾 斜 角 ；综 合 性 能
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ４ ８ １ ５ ． ０ ２ ０ ． ０ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ ０ ３ — １ ７ ２ １ ． ３ ０ ７
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ Ｋ １４
文 献 标 志 码 ：Ａ
作 为 综 合 性 能 指 标 。在 试 验 范 围 内 ，２ 。 方 案 的 综 合 性 能 指 标 最 高 ， 比 弓形 折 流 板 换 热器 方案 平 均 提 高 ６ ． ； ＯＳ ９８
螺旋折流板换热器
2014.7.23宋小平 裴志中 2006.6.2 S防短路螺旋折流板管壳式换热器螺旋折流板的一周螺旋，仍有X 块折流板连续组成，但每一块折流板直边，增加一至二排管距宽度C 。
组装时重叠搭接部分由同根管子穿过，为避免接触点干涉，在交叉处开一宽度为C 的缺口以便相邻两螺旋折流板相交。
这种交叉重叠搭接方式接续，可以对流经管束的介质起到引导作用，减少两相邻扇形板直边交叉形成三角形空间的短路现象，同时强化了折流板之间的连续性，避免了装配时的径向分离。
防短路螺旋折流板搭接形式示意图华南理工大学 徐白平 江楠 2006.1.20 F复杂流场螺旋折流板换热器及其减阻强化传热方法换热器内螺旋折流板由与换热器中心轴线倾斜的椭圆扇形板拼接成单螺旋或双螺旋状，位于壳体中心；外螺旋折流板为与换热器中心轴线倾斜的椭圆环扇形板拼接成螺旋状，位于内螺旋折流板外围。
该换热器利用内外螺旋折流板不同结构的导流作用，引入复杂流场，改善流体在壳体内壁附近及折流板背风侧的流动状态，强化壳体处与中心外围区域的混合，提高流体在换热器内整体湍动程度，较大幅度地提高壳程的传热膜系数，提高换热器的有效利用面积，强化壳程传热。
换热器结构加工、装配、维护方便，制造成本低，突破了限制螺旋折流板向大流量操作的瓶颈，节能降耗，市场前景好。
一种管壳式换热器王秋旺 贺群武 2003.10.17 F本发明涉及一种管科式换热器，主要应用于气体压缩机中间冷却器。
包括一个壳体，位于壳体中心的中心气体通道，分别位于壳体两端的两个挡板，一束平行固定于两个挡板之间的内翅片管束，位于壳侧的冷却水入口和冷却水出口，若干位于内翅片管束和外壳之间的螺旋形折流板，翅片管两端固定于两块挡板之间，中心气体通道与前后两个挡板以及壳侧外壳共轴，其中，每个内翅片管包括外管，堵塞的芯管和内翅片，内翅片管中的内翅片采用弯曲形状翅片。
本发明所采用螺旋形折流板和内翅片管采用锯齿形翅片或者螺旋形翅片的结构方式，可以使得换热器更加紧凑，换热效率更高，而且壳侧结垢少，使用寿命增加。
螺旋叶片折流板换热器的壳程传热性能研究
管壳式换热器 由于制造方便， 可适应较大的温 度和压力变化环境， 因而在工业生产上被广泛应用 … 在我 国的石油化工设备中 ８ ０ ％ 管壳式换热器 目 前仍采用弓形折流板光管结构 ，但是这种结构传热 效果差 ，壳程压降大，增加了工业生产成本 。与传 统 的弓形折 流板 换热 器相 比 ，螺旋 折流 板换 热器 由 于其具有换热效果好 、壳侧压降小 、管束不易结垢 以及能 防止管束流体诱导振动等诸 多优点， 从而受 到工业 界 的关 注 。 螺旋折流板包括连续性螺旋折流板和搭接型螺 旋折流板。连续性螺旋折流板是一个连续的螺旋 曲 面， 一个螺旋周期在轴向的长度即为一个周期 ；搭 接 型螺 旋折 流板 则是 采用 一 系列扇 形平 板来 代替 曲 面依次连接 ， 在壳程内形成近似的螺旋面 ，在轴 向 两个相 似位 置处 的两块扇 形平 板 间的距 离 即为一 个 螺距ｐ 。而理想 的连续性螺旋折流板在实际加工 中
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｅ ｌ １ ． ｓ ｉ ｄ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｈ ｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｂ ａ ｆ ｎ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ
王 峰 ，高 磊 ，张莹莹，齐洪洋 ，张斯 亮，蔡宏斌
（ 辽 宁石 油化工 大学 ，辽 宁 抚 顺 １ １ ３ ０ ０ １ ）
摘
要 ：为研究螺旋 叶片折流板换热器壳程传热性能 ， 通过 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ数值模拟 ，对 螺旋 叶片折流板换热器
壳程 的压力场 、温度场和速度场进行 了分 析。比较 了换热器性能参数 的模拟值和实验值 ，各性能参数模拟值和 实验值 的比值趋势基本一致 。研究结果表明 ，模拟 范围内 ，折流板 间距越小 、螺旋角度越大的情况下 ，螺旋 叶 片折流板换热器 的综合性能最优 。 关 键 词 ：数值模拟 ；螺旋 叶片 ；螺旋角 ；综合性能
不同螺旋折流板换热器壳侧流动的数值研究
压 力和速 度 耦合采 用 Ｓｍ ｌ 法。 结果认 为 ，螺旋折 流板 换 热器 的传 热及 阻力性 能低 于 弓形 折 流 ｉ ｐｅ算 板换 热器 ， 椭 圆螺旋 折流板 换 热器 的传 热 性能及 压 力 损 失最 小 ，其次 是 扇 形 螺旋 折 流板 换 热 器 ， 扇形 螺旋折 流板换 热器 的壳程传 热及 阻力性 能最 高。 关键 词 螺 旋折流 板 换热器 壳程流体 传 热 数值模 拟
螺旋 折流 板换热器 的研 究工 作多数 以扇形 折 流板结
下应大 于 扇 形 螺旋 折 流 板 的 夹 角 且 在壳 体 横
截面 上 的 投影 为 １０ ，一个 完 整 螺 旋 由 ３块 折 流 ２。 板 组成 。 扇 形 和 扇形 螺旋折 流板 的实 际形 状并 不是通 常所说 的圆形扇形 ，而 是椭 圆形扇形 。之所 以称之 为扇形 折流 板 ，是 因为其 在换 热器壳 体横截
面上 的投影是 严 格 的 圆形 扇 形 。 由图 １可 以看 出 ，
一
构 为主 ，研究 中主要 分析螺 旋折 流板换 热器 与 弓形
折 流板换 热器在性 能上 的差 异 ｊ ，以及结 构 和操
作 参数对 螺旋折 流板 换热器 性能 的影 响
。
在 已有 的研 究工 作 中 ，关于 不 同螺 旋折 流板结
构 对换热 器性 能 影 响 的报 道 并 不 多 见¨ ” 。笔者
块完 整 的椭 圆 圆板最 多可 以加 工 出 ２块 扇形 或 扇形 螺旋折 流板 ，而 同样 的板 材却 可 以加 工 出 ４
采 用数值 模 拟方 法 ，运 用 大 型 Ｃ Ｄ 分 析 软 件 Ｆｕ Ｆ ｌ．
ｅｔ ｎ，研究 了 椭 圆螺 旋 折 流 板 换 热 器 、 扇形 螺
不同螺旋角螺旋折流板换热器壳程传热性能
作昙：０３７。黑江， 师 事油备 管 。 者 ２－９）， 人 程， 炼设采与理究 简 刘军８ ， 龙 工帅 争徊亩购目研 介 ０ ２男 ０ ｆ一 ｆ（ 宏 一 旁－ ７１ 从烁阪木司碰
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石
油
化
工
设
备
２０ ０ ７年
第 ３ ６卷
动大 多 数 还 是 传 统 的 弓 形 折 流 板 ｚ 字 形 流 动 方 式ｌ ， 使 得 冷 换 设 备 的 总 传 热 系 数 一 直 较 低 。 ＿ 这 １ ｑ］ 上 世纪 ９ ０年 代初 ， 一种 新型 冷换 设备一 ～ 螺旋 折流 板 换热器 开始 应用 于工 业 领 域 ， 壳 程介 质 的流 动 其 呈 螺旋线 ， 流板 为伞形 ， 折 每块 折 流板 与壳体 轴线 呈
ａ ｉ ｎ ｄｎ
，
．
ｗｉｈ ｔ ｅ ｔｔ ａ ｓ ｅ ｈａ ａ ｔ ｒ ｂ ｔ ｅ ｈｅ ｓ ｒ ｌｆ ｌ ａ ｆｅ ｈｅ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｈ ｔ ｈｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｃ ｒ ｃ ｅ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｐｉａ ｏ ｄ ｈ ｆ［ ａ ｘ ｈ ｎｇ ｎｄ ｔ ｅ
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文 章 编 号 ：１ ０ — ４ ６ ２ ０ ） ｑ ０ ０ 一 ４ ０ ０７ ６ （ ０ ７ ｉ 一 ０ １（ ￣Ｔ ）
不 同 螺 旋 角 螺 旋 折 流 板
换 热 器 壳 程传 热 性 能
刘 宏 军 ，王 安 军 ，高 磊 ，张 莹 莹。
ｈ ａ ｘｃ ｎ ｅ ｓ ｃ ｓ ５。 ３ 、 Ｏ ｗｅ ｅ ｅ ｔｅ ｈａ ｇ ｒ， ｕ ｈ ａ ２ 、 ０。 ４ 。 ｒ ｍａ ｎ ｙ ｔ ｓ ｅ ａ ｄ ｐｒ ｓ ｎｔ ｄ ｉ ｉ ｌ ｅ ｔ ｄ ｎ ｅ ｅ ｅ ・ｓ 川 ｈ ａｎｅ ｕｓｙ， ｍ ｐａｒ ｏ ｌ ｏ ｅ
当量螺旋角对三分螺旋折流板换热器性能的影响
关键 词 ： 螺旋折 流饭换热器 ； 三分螺旋折流板 ； 当量螺旋角 ； 倾斜角 ； 性能实验
中 图 分 类 号 ：Ｋ １４ Ｔ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ５９ ５ （０ ０ ０ ４ ２ － １０ － ４ ２ １ ）７３ ２０ ９ ０ ４
ｔｓ ｗ ｓｃ ｎ ｕ ｔｄ ｏ ｅ ｔ ｘ ｈ ｎ ｅ ｉ ｅ ｌ ｃ ａ ｌ ｕ ｅ ｂ ｎ ｌ ｓｏ ｃ ｉ ｅ ｇ ｅ ｆ ０ ．１ 。ａ ｄ２ 。ｓ ｃ ｏ ｅ ｔ ａ ｏ ｄ ｃｅ ｎ ａ ｈ ａ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｔ ｒ ｐ ａ ｅ ｂ ｅ ｔ ｂ ｕ ｄ ｅ ｆｉ ｌ ｄ ａ ｌｓｏ 。 ５ ｎ ０ ｅ ｔｒ ｗ ｈ ｎ ｎ ｎ １
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一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法[发明专利]
![一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8665e95e1a37f111f1855bf4.png)
专利名称：一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法专利类型：发明专利
发明人：曾敏,郭泽峰,李年祺,王秋旺
申请号：CN202010926604.4
申请日：20200907
公开号：CN112146477A
公开日：
20201229
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高效螺旋折流板管壳式换热器及换热方法，包括一个壳体及设置在壳体上的壳侧进口管和壳侧出口管，紧靠壳体两侧的管板一和管板二、左封头和右封头，左封头上设置管侧进口管，右封头上设置管侧出口管，壳体内有一根中心管、多根换热管并固定于左右两个管板上，开有射流孔的连续螺旋折流板固定于中心管上，并与换热管相互配合组成使流体纵向流动的射流孔，壳侧流体的流动为绕折流板的螺旋流与通过射流孔的纵向流而组成的交叉流。
本发明可以显著提升管壳式换热器壳侧的综合换热性能，减少换热器壳侧污垢沉积，使换热器更加高效、紧凑。
申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
国籍：CN
代理机构：北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司
代理人：郑萌萌
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换热器的传热系数K汇总
介质不同，传热系数各不相同我们公司的经验是：1、汽水换热：过热部分为800~1000W/m2。
℃饱和部分是按照公式K=2093+786V（V是管内流速）含污垢系数0.0003。
水水换热为：K=767(1+V1+V2）（V1是管内流速，V2水壳程流速）含污垢系数0。
0003实际运行还少有保守。
有余量约10%冷流体热流体总传热系数K，W/(m2.℃)水水 850～1700水气体 17～280水有机溶剂 280～850水轻油 340～910水重油60～280有机溶剂有机溶剂115～340水水蒸气冷凝1420～4250气体水蒸气冷凝30～300水低沸点烃类冷凝 455~1140水沸腾水蒸气冷凝2000～4250轻油沸腾水蒸气冷凝455～1020不同的流速、粘度和成垢物质会有不同的传热系数。
K值通常在800~2200W/m2·℃范围内.列管换热器的传热系数不宜选太高，一般在800—1000 W/m2·℃。
螺旋板式换热器的总传热系数（水—水)通常在1000~2000W/m2·℃范围内。
板式换热器的总传热系数（水（汽）—水）通常在3000～5000W/m2·℃范围内.1．流体流径的选择哪一种流体流经换热器的管程,哪一种流体流经壳程，下列各点可供选择时参考(以固定管板式换热器为例）(1) 不洁净和易结垢的流体宜走管内，以便于清洗管子.（2）腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。
（3）压强高的流体宜走管内，以免壳体受压。
(4) 饱和蒸气宜走管间,以便于及时排除冷凝液,且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。
(5) 被冷却的流体宜走管间,可利用外壳向外的散热作用，以增强冷却效果。
（6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内,因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。
（7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走管间,因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re〉100）下即可达到湍流,以提高对流传热系数。
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三分螺旋折流板换热器水-水传热壳侧综合性能董聪;陈亚平;吴嘉峰;操瑞兵;盛艳军;倪明龙【摘要】对倾斜角为10°、15°和20°的扇形折流板,倾斜角为15°的椭圆折流板和倾斜角为20°的轴向搭接扇形折流板三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器的传热特性和压降性能进行了测试试验研究,其中螺旋折流板全部采用分区布管结构,有48根管子,而弓形折流板换热器有49根管子.试验数据分析采用轴向Reynolds数Rez,o作为自变量,壳侧Nusselt数Nu.、轴向Euler数Euz,o等参数作为因变量,并采用Nu./Euz,o量纲1组合数作为综合性能指标.在试验范围内,20°s 方案的综合性能指标最高,比弓形折流板换热器方案平均提高69.8％；倾斜角最小的10°s方案的综合性能低于弓形折流板换热器方案；轴向搭接折流板换热器方案的综合性能低于相同倾斜角外圈连接折流板换热器方案,而椭圆折流板方案的综合性能低于相同倾斜角的扇形折流板方案.%Experimental study was conducted in trisection helical baffle heat exchangers with three sector baffle schemes of tilt angles 10°, 15° and 20°,an ellipse baffle scheme of tilt angle 15°, and an axial overlap sector baffle scheme of tilt angle 20°, in contrast to a segmental baffle heat exchanger. Each helix heat exchanger has 48 tubes with layout of one third division of shell cylinder for each baffle, while the segmental baffle heat exchanger has 49 tubes. The data of the shell side, Nusselt number Nuo , axial Euler number Euz,o, and comprehensive performance indicator Nuo/Euz,o are presented versus the shell side axial Reynolds number Rex,o. The results show that the heat exchanger with the scheme of periphery connected sector baffles with tilt angle of 20° has the best performance, whose average comprehensive performance indicatorNuo/Euz,o is 69. 8% higher than that of segmental baffle heat exchanger, while the comprehensive performance indicator of the scheme with tilt angle 10° is lower than that of segmental baffle scheme. With the same tilt angle, the performance with the periphery connected connection baffle scheme is better than that with the axial overlap baffle scheme, and the performance with the sector baffle scheme is better than that with the ellipse baffle scheme.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)003【总页数】7页(P721-727)【关键词】螺旋折流板换热器;三分螺旋折流板;倾斜角;综合性能【作者】董聪;陈亚平;吴嘉峰;操瑞兵;盛艳军;倪明龙【作者单位】东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK124螺旋折流板换热器由Lutcha等［1］发明，是将换热器壳体圆柱面分为4个象限，在每个象限中都倾斜布置1／4扇形折流板，头尾相接组成壳侧拟螺旋折流通道，具有消除壳程流动死区、降低壳程流动压力损失、有效抑制污垢形成以及抑制管束的振动破坏等特点，近年来受到广泛关注。
Stehlik等［2－3］公布了一些概要性的结果，但由于涉及专利内容，提供的数据很有限；Andrews等［4］采用CFD技术对螺旋折流板换热器流场进行了研究；Master等［5］给出了螺旋折流板换热器在工业上的应用成果；Jafari等［6］研究了倾斜角对传热性能的影响；Wang等［7］、宋小平等［8］分别进行了螺旋折流板换热器的试验研究；王秋旺［9］对螺旋折流板换热器的相关研究进行了综述。
陈亚平［10］在1／4螺旋折流板换热器基础上提出了三分螺旋折流板换热器方案，具有适合于正三角形排列布管，零件数量较少，折流板直边上无半个孔问题，因而加工方便等优点。
本文在已经完成的油－水试验基础上［11］，对同样的换热器试验件进行了水－水试验。
本试验采用东南大学与某换热器制造企业合作搭建的换热器性能试验台。
该试验台具有性能试验覆盖面广、测试仪表精度高、技术性能指标先进、工作可靠和自动化程度高、使用操作方便等优点，冷介质为冷风或水，热介质为导热油、压缩空气、乙二醇水溶液和水。
本试验采用了其中的水系统，并用冷风系统对试验件后的板翅式换热器进行冷却，流程图如图1所示，图2为水系统的照片。
考虑到更换试验件方便，试验时两侧工质均采用水。
冷却水在试验件中被加热后再引入一个板翅式换热器内由风洞冷却后进行循环，同时通过风机变频器调节冷风流量来控制冷却水进口温度。
质量流量计采用美国高准公司生产的F100型（精度0．15%）；温控测点均采用上海自动化仪表三厂PT100A级铂电阻，按四线制连接（误差为±0．15℃）；压差信号采用美国罗斯蒙特公司生产的3051S型差压变送器（精度0．075%）；采用美国安捷伦公司的34970A数据采集仪；用美国NI公司的LabVIEW软件平台编制操作软件。
本文试验用换热器是按照文献［12］设计，并按GB 151《管壳式换热器》和GB 150《钢制压力容器》标准制造加工，换热器采用可更换芯体结构，壳体共用，螺旋折流板管束芯体可以更换，见图3、图4，每次做完一组试验只需更换芯体就能接着做下一组试验。
换热器管程和壳程都按照单程布置，冷热流体按逆流进行传热试验。
换热器壳体内径126mm，折流板外径123mm。
管子数目为三分螺旋折流板方案48根，弓形折流板方案49根。
管子有效尺寸10mm×1mm×1170mm，相邻管子中心距为15mm。
三分螺旋折流板换热器三维效果图如图3所示。
三分螺旋折流板换热器的结构参数和管束的照片如表1和图4所示。
其中三分扇形折流板和三分椭圆折流板的形状如图5所示；轴向搭接则是指一种保持倾斜角不变而缩小螺距以增加折流板布置数量的方案。
热侧流体的加热采用调节固态继电器的占空比控制。
在升温阶段采用自动，到试验阶段采用手动控制。
当维持占空比不变，入口温度显示值满足（60±0．5）℃，且温度变化＜0．1℃·min－1，其他参数也在控制范围内，同时热平衡的相对偏差在－2%～＋5%时，认为已经达到稳定热平衡，可以读取数据。
热水离心泵变频器频率恒定在20 Hz，即流量稳定在2．11kg·s－1±0．5%。
冷侧流体入口温度控制在（30±0．5）℃，离心泵变频器频率从10Hz到50Hz按5Hz的台阶递增。
在每一个流量下调节电加热器的占空比和风机的频率来达到热侧和冷侧参数稳定和热平衡。
换热器总体传热系数按照式（1）计算。
由于换热器是新换热器，这里可以忽略壳程结垢的影响，管内侧的传热系数hi用Dittus－Boelter式（2）估算，壳侧的传热系数ho按式（3）计算；壳侧压降Δpo则是在壳侧压降测量值Δpm，o基础上，扣除了进出口管与筒体之间存在的局部阻力损失，如式（4）。
式中A为换热面积，m2；do为管子外径，0．01 m；di为管子内径，0．008m；K 为总体传热系数，W·（m2·K）－1；Q1为热侧传热量，W；Δtm为对数平均温差，K；λ和λi分别为管子材料和水的热导率，W·（m·K）－1；wi／o为进出口管处的流速，m·s－1；Δpo、Δpm，o分别为壳侧压降净值和测量值，kPa，取进出口管与筒体之间的局部阻力系数之和∑ξ为1．5（根据流体力学的阻力系数公式，得到进口处突然扩大，且两截面相差很大时，速度头不能利用，取局部阻力系数为1；而出口处截面突然缩小，且两截面相差很大，取局部阻力系数为0．5，两处合计总共是1．5）；ρo为壳侧水的平均密度，kg· m－3。
采用准则数来整理试验数据，对总结比较来源不同的数据以及拟合传热和阻力的公式有利，对换热器设计有指导意义。
虽然不同倾斜角方案的通流截面不同，但因为所有试验件共用一个壳体，换热器管子数目和尺寸相同或相近，故用轴向Reynolds数Rez，o作自变量［式（6）］，可以体现壳侧流量的变化，更加公平地比较不同方案的性能。
根据范宁公式，轴向Euler数Euz，o能够体现壳侧流动阻力系数［式（7）］。
由此，本文采用组合数 Nuo／Euz，o来衡量换热器的综合传热能力。