螺旋折流板換熱器

陳世醒,張振華
（遼寧石油化工大學傳熱技術研發中心,遼寧撫順113001）
在石油、化工、動力、冶金、能源等工業部門中常常涉及諸多的傳熱問題,列管式換熱器是當前工業生產中應用zui廣泛的傳熱設備。與其它類型的換熱器相比,其主要優點是單位體積所具有的傳熱面積大及傳熱效果好。加之結構簡單、制造所需的材料范圍廣、操作彈性較大等,因此在化學工程領域中得到越來越廣泛的應用。
    為了加大殼程流體的速度,使湍動程度加劇以提高殼程傳熱膜系數,通常要在列管式換熱器的殼程安裝折流板,zui常見的是圓缺形擋板。流體在裝有圓缺形擋板的殼體內曲折流動時,方向和速度不斷改變,特別在折流板邊緣處易產生流體分離。由于在弓形板與殼體間存在著流動死區,流體在折流板中反復地叉流運動,降低了傳熱推動力（Δｔｍ）,若想獲得較高的傳熱性能,只有減小弓形板的間距,這必然會伴隨著較高的流動阻力,以較高的能耗為代價。因而迫切需要改變這種傳統的折流板形式。螺旋折流板換熱器由于其*的優點而成為理想的替代產品。
 
    螺旋折流板換熱器如圖1所示,主體由殼體、管板、折流板、阻流板、支持板、定距管組成,連續螺旋狀的準扇形板及其支持的換熱管束構成擬螺旋流動系統。流體在殼體內平穩螺旋流動,降低了常規弓形折流板橫向折流時所產生的壓力損失。由于介質呈螺旋式流動,在徑向產生速度梯度,形成徑向湍流,*改變了弓形折流板換熱器的流體流動方式和流場分布,減薄了傳熱管表面滯流底層的厚度,提高了傳熱膜系數,消除了弓形板的傳熱死區,使殼程的傳熱狀態大為改善。此外,螺旋折流板結構可以滿足的工藝條件很寬,設計方面具有很大的靈活性,可針對各種特殊的工藝條件選擇*的螺旋角。螺旋折流板換熱器的面世,引起了國內外傳熱專家的關注[1-3]。近年來,對螺旋折流板傳熱性能和流動特性的研究更是方興未艾[4-6],張克錚[7-8]等也曾先后對高、低粘度的流體進行了小試和中試。實驗證明:較之傳統的弓形折流板換熱器無疑是一次重大變革。但已有的,尚存在有待改進的地方:由于折流板與軸成所在的平面垂直,與規范的螺旋通道存在著差距,對軸向運動的流體存在反壓,流體突然轉向會造成極大的能量損失,特別在螺旋角較大時更是如此。
 
1　特殊的折流形式
    本研究的核心是用帶有側傾角α和后傾角β的螺旋折流板代替傳統的弓形折流板。側傾角的定義為:螺旋折流板所在平面與其投影平面的夾角。在此基礎上,將螺旋折流板再向流體流動方向即軸向后傾某個角度,該角即定義為后傾角β,見圖2由于螺旋運動可看作圓周運動和軸向運動的合成后傾角的存在,進一步降低了流體軸向運動的阻力加之圓周運動所產生的離心運動以及流體流經傳熱管所產生的“渦街”效應,在降低流動阻力的同時改善了換熱器的性能。這種特殊的折流形式,使單位壓降的傳熱系數得到zui大幅度的提高,換熱器處于運行狀態。
 2　改進后的
2.1　新型的特征
    此種新型的其特征是:折流板為帶有側傾角α和后傾角β的準扇形板。按圓心角θ將圓周做Ｓ等分（Ｓ為不等于1的自然數）,一個螺距的螺旋折流板由Ｓ塊準扇形板頂角搭接而
2　改進后的
2.1　新型的特征
    此種新型的其特征是:折流板為帶有側傾角α和后傾角β的準扇形板。按圓心角θ將圓周做Ｓ等分（Ｓ為不等于1的自然數）,一個螺距的螺旋折流板由Ｓ塊準扇形板頂角搭接而成,每兩塊準扇形板之間輔以1塊三角形阻流板,α和β同為螺旋折流板的特性參數:0°≤α≤45°,0°≤β≤45°。
2.2　螺距尺寸與阻流板形狀
    在新型的中,α和β的大小可直接影響螺距的尺寸,其本質是影響流體流動阻力和傳熱性能。設Ｄ為管束外徑,通常情況下,螺距Ｈｓ=ＳＤ（ｔａｎα+ｔａｎβ）/2,阻流板形狀為等腰三角形,其高為Ｄ/2,底邊為Ｈｓ/Ｓ;特殊地,當α=0時,Ｈｓ=ＳＤ（ｔａｎα）/2,阻流板為直角三角形。
2.3　橢圓形板長、短半軸
    在上述的中,作為改進后的準扇形板實為Ｓ分之一橢圓形板。設ａ為橢圓的長半軸,ｂ為橢圓的短半軸,下式給出了ａ、ｂ與側傾角α、后傾角β及管束外徑Ｄ之間的關系:ａ=Ｄ/（2ｃｏｓα）,ｂ=Ｄ/（2ｃｏｓβ）
2.4　側傾角與螺旋角的關系
    改進后的,其優勢還在于:側傾角α有別于傳統意義上的螺旋角φ,定義此角有助于簡潔、直觀地提出工藝設計的要求,便于實際操作,側傾角與螺旋角的關系可由下式給出:α=ａｒｃｔａｎ（π/2ｔａｎφ）,φ=ａｒｃｔａｎ（2/πｔａｎα）
2.5　折流板的加工與組裝
    側傾角α和后傾角β確定之后,螺旋折流板可通過胎具一次加工而成。若干塊折流板可同時進行鉆孔。組裝也不成問題,以Ｓ=4為例:將第1塊準扇形板（1/4橢圓形板）通過定距管固定位置后,在圓心角旋轉90°的方向上與第2塊板頂角搭接,第2塊板仍維護α和β的角度;接下來在圓心角再旋轉90°的方向上搭接第3塊板,第4塊板亦如此,依此類推。側傾角α和螺旋角φ可實現對螺距的雙重調節,這是本研究的一個重要特征。為了保證螺距的合理性,二者之和應不大于60°,即α+β≤60°。α和β同時存在的螺旋折流板較之只存在β的螺旋折流板的加工毫不復雜,均為一次成型,且α的存在可減少流體軸向運動的阻力,對螺旋折流板的結構是一次再優化。