雙螺旋結構螺旋折流板換熱器試驗研究

發(fā)布時間：2010-1-7 瀏覽：3766

      l 前 言

        螺旋折流板換熱器，也可簡稱為螺旋換熱器(Helixchanger)。其基本結構仍為管殼式換熱器，符合GB151-1999或TEMA標準 ¨，只是在殼側折流板的設計上進行改進，設計一種新型折流板，使殼程形成一個螺旋形的通道，從而迫使流體以螺旋狀流過殼程通道，相應得到比較高的傳熱系數，同時并不會產生太大的壓力損失。

        理想化的螺旋折流板其板面呈自然螺旋狀的曲面，其幾何規(guī)律與螺旋線相同。而螺旋折流板就是采用一個螺旋面來固定管柬，強迫殼程流體呈螺旋形流過殼體。在螺旋折流板結構中，已有的研究表明，不同的螺旋角其傳熱和阻力性能各不相同，但總的來說，螺旋折流板的壓降遠小于弓形折流結構，傳熱性能與弓形相當或略有降低，綜合傳熱性能要優(yōu)于弓形折流板 。

        在普通的管殼式換熱器中，殼體的長徑比一般取6～10。采用螺旋角40。的螺旋折流板僅能布置3個半螺距的螺旋折流板，而在普通單弓形折流板換熱器中，一般折流板的數目遠多于此。這樣，在螺旋折流板結構中，一方面由于流道太短，還不能保證流體已經充分發(fā)展為螺旋流動時就已經流出。另一方面，這種結構的壓降非常小，不能充分利用用戶所能提供的壓頭【6】。為了進一步提高螺旋折流板的性能，提供更廣泛的使用可能，需要對螺旋折流板的結構進行進一步的改進。

        一方面可以采用更小的螺旋角，這樣做雖然會使換熱的綜合性能降低，但是可以在充分利用用戶所允許的壓降的條件下增大換熱效果，從而既能滿足使用要求又能盡可能的獲得比較好的傳熱性能。另一方面考慮使用雙螺旋結構，在同樣長度內布置更多的折流板。

        2 螺旋折流板雙螺旋結構

        為了使螺旋折流板能夠用于實際生產，一般可以用平面板子的拼接來實現螺旋折流板。即一個螺距內的螺旋折流板通常采用四塊首尾相接的平面板組成，每一塊板子為外周橢圓形的扇形板(圖1)。為了實現布置更多的折流板，通常采用搭接結構。所謂搭接結構，是指相鄰的兩塊折流板的接觸點互相重疊一定高度，流動截面積相應減小，這樣在同樣長度的殼體內就可以布置更多的折流板。搭接距離可以根據實際使用條件確定，搭接距離越大，殼程傳熱效果增強同時壓降也會隨之提高。在搭接結構中進一步增加搭接距離，當搭接距離為螺距的一半時，原來相鄰的兩塊折流板相對放置，而原來相間的折流板反而連續(xù)在一起，形成所謂的雙螺旋結構(圖2)，為了區(qū)分，今將普通的連續(xù)結構稱為單螺旋結構(圖3)。

                            

                  

                      

        雙螺旋結構中，殼程流道被分割成兩個相互獨立的相似的螺旋形通道，每個流道的流通截面積只有連續(xù)結構的一半。如果忽略折流板的厚度，則可以認為相同流量的殼程流體流過雙螺旋結構時與單螺旋結構具有相同的流速，同時其流場中的傳熱與阻力性能也相同。

        而在實際使用的平面板拼接而成的螺旋折流板結構中，在兩個相鄰的折流板之間存在著一定的漏流，即有部分流體從相鄰兩塊扇形板之間的三角形區(qū)域流過，這部分流體沒有參與螺旋形流動。而雙螺旋結構中，相當于在單螺旋結構的基礎上，在螺旋流道中間再加入一塊螺旋折流板，可以減少漏流流體的份額。因而可以預期雙螺旋結構具有比單螺旋結構更好的性能。

        3 試驗研究

        3．1 試驗流程

        試驗流程如圖4所示。

        3．2 試驗件參數

        試驗件結構：管殼式換熱器：殼側／管內流體：重柴油／水；水／水；殼側內徑：250mm；管子規(guī)格：Φ19mm×2mm光滑管：管長：2470mm；管子數：44；管子材料：碳鋼。

        3．3 折流板結構

        試驗采用螺旋角為18。的螺旋折流板。試驗件一：螺旋折流板單螺旋結構：(圖3)試驗件二：螺旋折流板雙螺旋結構：(圖2)兩個試件都采用如圖1所示外周橢圓形的扇形板拼接而成。按照螺旋角計算扇形板傾角，制作模具保持扇形板傾角分批打孔，折流板的拼接與裝配同時交替進行。

               

        4 結果分析

        4．1 阻力性能比較

        將試驗結果以殼程壓力損失對殼程Re作圖，比較不同結構對換熱器阻力性能的影響。圖5和圖6分別表示以水和重柴油作為殼程介質時所得實驗結果。

                

                

        由圖中可以看出，在相同的尺e時，兩種結構的阻力性能變化較小，雙螺旋結構的殼程阻力稍大于單螺旋結構。以粘度較小的水為介質時，阻力增大了3％一19．5％，平均增大了9．9％。以粘度較大的重柴油為介質時，阻力增大了3％一8％，平均增大了6．15％。

        4．2 傳熱性能比較

        將試驗結果以殼程的Nu對尺e作圖，比較不同結構對換熱器換熱性能的影響。圖7和圖8分別表示以水和重柴油作為殼程介質時所得實驗結果。

                       

                       

        從圖中可以看出，對于螺旋折流板來說，雙螺旋結構的^ 值都大于單螺旋結構。在相同的殼程Re時，雙螺旋折流板的Nu要大于單螺旋折流板，平均增大了14．12％和1 1．72％。

        4．3 綜合性能比較

        將試驗結果以單位壓降的Nu對RP作圖，比較不同布管方式對換熱器性能的影響。圖9和圖1O分別表示以水和重柴油作為殼程介質時所得實驗結果。

                     

                     

        從圖中可以看出，對于螺旋折流板來說，采用雙螺旋結構可以改進其單位壓降的傳熱性能。同時在試驗件加工中，兩種試件采用相同的加工工藝與裝配方法，相對于換熱器的重量而言試件重量增加可以忽略，同時裝配時間增加也很小。而雙螺旋結構可以更好的固定換熱管束，防止管束的震動。因此采用雙螺旋結構可以在生產成本增加很小的情況下提高其單位壓降的傳熱性能。

        5 結 論

        (1)在螺旋折流板中，可以采用單螺旋與雙螺旋兩種不同的結構形式，采用雙螺旋結構可以在殼程布置更多的折流板。

        (2)采用雙螺旋結構的螺旋折流板，可以減少折流板之間的漏流，使流體更好的按照平推流流動，可以提高螺旋折流板的性能。

        (3)試驗研究表明，采用雙螺旋結構，與單螺旋結構相比，在相同的殼程JRe時的壓降與傳熱性能都增大，單位壓降的傳熱性能提高。