四平东兴换热器设备制造有限公司是从事热交换设备的科研、设计与制造的专业生产企业。
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管壳式换热器的出现已有上百年的历史,是应用最广泛的单元设备之一,占我国全部换热器产量的50%以上[1]。普通的管壳式换热器采用 弓形折流板[2],折流板与换热管垂直布置,存在流动死区,换热效率难以提高;流体横向掠过换热 管,管束易发生振动,造成换热管与管板连接处松 动或换热管断裂,导致换热器失效,大直径换热器中的振动问题更为严重。20世纪60年代有学者提出了螺旋折流板的结构型式,但由于制造难度较大,一直未能实现工业化生产。1986年捷克科 学家获得了螺旋折流板的专利, 1994年ABB公司实现了工业化制造[3],在欧美等西方国家得到了应用。20世纪90年代末,国内有单位取得了专利技术并在生产中获得应用[4]。
1 螺旋折流板换热器的结构与分析
1. 1 螺旋折流板的结构
螺旋折流板换热器的结构型式来源于输送物 料的搅龙。最初的螺旋折流板为连续螺旋结构, 由于制造上难以实现,目前的螺旋折流板换热器 都是采用断续的近似螺旋结构,即采用若干块四 分之一壳程横截面的扇形板组装成螺旋状,每片 折流板与穿过其上的换热管斜交。在螺旋折流板 换热器内,介质自壳层进口向出口呈螺旋状推进, 由此产生的离心力提高了流体的湍流程度,也避 免了大角度折返带来的压力损失。目前常用的螺 旋折流板带有螺旋角α和后倾角β,其结构如图1 所示。
流体在壳程的流动不仅与螺旋角有关,而且 与螺旋板的具体尺寸有关�？梢愿谋渎菪墙嵌� 调整壳程的流通面积,可以采用一定的搭接量来 减小换热管无支撑跨距以提高刚度,可以采用双 螺旋或双壳程结构来调整壳程的流体流动。明确 螺旋折流板尺寸对传热及阻力性能的影响,是研 究螺旋折流板换热器的一个重要课题。
1. 2 螺旋折流板换热器中流场间的相互作用
1. 2. 1 螺旋角对流场的影响[5]
一般情况下,螺旋折流板换热器壳程流体的 切向速度ut大于轴向速度uz,且α越小,ut越大。 脉动速度对α很敏感,α减小则脉动速度增大。α 减小,阻力降增加,但与弓形折流板换热器相比, 阻力降要小很多。
1. 2. 2 流量对流场的影响[5]
在α相同时,流量增大时流速沿径向分布趋 于均匀,脉动速度增大,有利于传热。这是因为流 量增大时,层流边界层变为湍流边界层,分离点提 前,管束后产生大量漩涡,漩涡运动可增强液体径 向混合,使速度沿径向分布趋于均匀。
1. 3 螺旋流动对换热的影响
(1)在螺旋流动中,切向速度产生作用在流 体上的离心力,流体外侧压力升高、内侧压力下 降,流体在压差作用下从外侧向内侧流动,同时中 心的流体出现回流,造成二次流[5]。螺旋流和二 次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在 径向均匀化,从而强化传热。
(2)螺旋流动的流体斜向冲刷管束,在倾斜 和旋转的双重作用下,使速度边界层变得很薄,传 热系数得到大幅提高。
1. 4 螺旋折流板换热器的特点
与传统弓形折流板换热器相比,螺旋折流板 换热器具有如下优点。
(1)壳程流体呈螺旋状流动,流体湍流程度 加剧,层流底层厚度减薄,利于提高传热系数。据 国外文献报道,与弓形板相比,螺旋折流板单位压 降下的壳程膜传热系数可提高1. 8~2. 0倍,因此 在相同热负荷下可减小换热器的尺寸。
(2)壳程介质的螺旋流动使其阻力降明显降 低,与单弓板相比,相同流量条件下可减少阻力降 约45%。
(3)壳程无滞流区和死区,无污垢沉积,可延 长设备检修周期。
(4)更适用于粘稠介质和结垢严重的介质。
(5)有效防止了流体诱导振动的发生,适用 于流量波动较大和汽液两相的工况。
螺旋折流板换热器也有一定的缺点,其螺旋 板管孔和定距管的加工较困难,需要专用胎具,管 束组装难度较大,造价高于弓形板换热器。
2 螺旋折流板换热器的研究
螺旋折流板换热器的研究主要集中在壳程侧 流体力学研究,通过对壳程侧传热和阻力降的研 究,选取合适的螺旋角来满足工程上的需要。国 外的研究机构主要有美国的传热研究协会 (HTRI)和英国的传热及流体流动研究中心。
国内西安交通大学是研究较早的单位,并且 获得了多项专利。邓斌等采用多孔介质和分布阻 力模型阶梯逼近技术对换热器壳程侧的层流流动 进行了数字模拟[6],表明壳侧流体呈螺旋形流动 并与相应的换热器冷态试验进行了对比研究。王 秋旺等通过试验对换热器进行了换热及阻力性能 研究[7],发现在4管程换热器中使用假管会使换 热效率降低、阻力增加;在相同雷诺数时,无中心 管的传热效率比有中心管的高30%;在相同的壳 侧流量下,壳程侧传热系数随螺旋角增大而减小。 王良等对螺旋角为10°和15°的换热器进行了换 热与阻力性能试验[8]。
华南理工大学传热强化与过程节能教育部重 点实验室在强化传热和新型壳程强化传热技术方 面做了大量研究工作,率先在螺旋折流板换热器 中采用低翅片管[9]。南京工业大学张少维等对 折流板间距对换热器性能的影响进行了数值研 究[10]。抚顺石油学院的研究人员采用有机玻璃 制作了螺旋折流板换热器的模型,用激光测速仪 详细测量了流场的特性,研究了旋流角对速度分 布和脉动速度的影响及流量的耦合关系,发现不 同的螺旋角和布置方式都会影响流体的速度分 布,也会影响换热效果。彭杰等对螺旋折流板搭 接量进行了研究,结果表明:搭接布置有利于降低 压降,但不利于传热。
3 结构设计相关尺寸的计算
目前常用的螺旋折流板为带有螺旋角α和 后倾角β的折流板,如图2所示。通常情况下,由 4块螺旋折流板交错搭接形成一个螺距。α为折 流板所在平面与管板所在平面的夹角,β为带有 螺旋角α的折流板向流体流动方向(轴向)后倾 的角度。将螺旋折流板的边长跨过设备中线重叠 一部分,这样可有效减少折流板间的漏流,一般重 叠2排左右的管子。
折流板投影图和主视图如图3所示。图3左 侧是折流板在设备管板截面上的投影图,为1/4 圆形;右侧为折流板的主视图,为近似扇形。相关 尺寸的算法如下。
3. 1 螺旋折流板边长、夹角及倾角的计算 如图2所示,OO′为设备轴线,AA″在设备轴 线上,BA′D″的粗实线部分为折流板实际空间位 置。由图2可看出,α和β不等时折流板的两个 边长不等,这样会给生产中的下料带来很大困难, 所以实际设计中尽量使两个角度相等,下面的计 算均基于两个角度相等进行。
3. 1. 1 边长计算
图3中OD为折流板在管板截面投影的中心 线,OD′为折流板主视图的中心线,从图2可看出 两个长度相等且相当于单弓板设备的折流板半 径。
结合图2和图3可得:
R=AB=AD
由图2可得出:
R′=BA′=A′D″=R /cosα
带有螺旋角和后倾角的螺旋折流板,当两个 角度相等时,其实际形状(图3)为两个边长为 R′、中心线长度为R、夹角为θ的近似扇形,关于 中心线对称。
3. 1. 2 夹角θ计算
定距管是一个回转体,其端面要与折流板端 面贴合,所以定距管的端面倾角等于折流板倾角 γ,如图4所示。
3. 4 定距管长度计算
折流板布置简图如图5所示。在施工图中应 给出第1块折流板在设备轴线上的中心点内侧 (不包含壁厚)距管板内侧的距离。
拉杆的布置见图3。每块折流板的拉杆数为 偶数时,应相对于折流板的旋转轴对称布置;拉杆 数为奇数时,应将1根拉杆布置在旋转轴上,其余 相对于旋转轴对称布置,尽量减少定距管的种类。 先在管板的布管图上确定拉杆的位置,以管 板内侧面中心点为坐标原点给出所有拉杆中心的 坐标值。
3. 4. 1 相邻2块折流板之间的定距管长度(轴线 长度)
相邻2块螺旋折流板之间的定距管的两个端 面均为斜面,其轴线长度计算如下:
3. 4. 2 前4块折流板到管板内侧面的定距管长 度(轴线长度)
组成第1个螺旋的4块折流板与管板之间的 定距管靠近管板侧为平面,靠近折流板侧为斜面, 其倾角为γ。
拉杆在管板上的投影图如图6所示。设第1块 折流板在管板上的投影为图6中的第1象限,则 L11处的定距管最短,沿顺时针方向定距管长度依 次递增,L44处的定距管最长。第1象限4根拉杆 中心点的坐标值分别为L11(x1,y1),L12(x2,y2), L13(x3,y3)和L14(x4,y4)。
第1块折流板上的4根定距管按长度由小到 大的顺序如下:
第2块折流板上的4根定距管与第1块上的
阶段,试验用模型尺寸太小,研究的结果还达不到 工业实践应用的要求,应该走产学研相结合的路 线,在企业投运的装置上获取实际运行数据,建立 传热和流动的数学模型,开发通用的传热计算软 件,尽快实现标准化设计。目前各企业已经认识 到了螺旋折流板换热器的优越性能,愿意在装置 中采用,但限于机械制造技术一直难以大批量生 产。采用先进的制造技术和改造数控机床,解决 折流板加工和管束组装难题、提高生产效率、加快 螺旋折流板换热器的推广应用,是迫切需要解决 的问题。
参考文献
[1] 王秋旺,罗来勤,曾敏.交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧 传热与阻力性能[J].化工学报, 2005(4).
[2] 国家质量技术监督局.GB151—1999管壳式换热器. 1999.
[3] 曹纬.国外新型换热器介绍[J].化学工程, 2000(6).
[4] 王正方,王勇,曲大伟.螺旋折流板换热器的研究与制造 [G].全国化工热交换器技术与设备交流会论文集. 2008.
[5] 潘振,陈宝东,商艳丽.螺旋折流板换热器的研究与进展 [J].节能技术, 2006(1).
[6] 邓斌,吴扬,陶文铨.螺旋折流板换热器壳侧流动的数字模 拟[G] //中国工程热物理学会. 2003年学术会议论文集. 2003.
[7] 王秋旺,罗来勤,曾敏.交错折流板换热器传热与阻力性能 的实验研究[G] //中国工程热物理学会. 2003年学术会议 论文集. 2003.
[8] 王良,罗来勤,王秋旺.螺旋折流板换热器中阻流板对换热 及沿程压降的影响[G] //中国工程热物理学会. 2003年学 术会议论文集. 2003.
[9] 朱冬生,蒋翔,陆应生.螺旋折流板低翅片管油换热器应用 研究[G]. 2004年全国化工石化装备国产化技术交流会论 文集. 2004.
[10] 张少维,周荣兰,桑芝富.折流板间距对换热器性能影响的 数值研究[J].南京工业大学学报, 2005(3).
