螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式

螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置 ,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动.因此 ,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面.但是 ,螺旋曲面加工困难 ,而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便 ,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 ,在壳侧形成近似螺旋面 ,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动.一般来说 ,出于加工方面的考虑 ,一个螺距取 2～4 块折流板 ,相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式 ,按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构.

传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折流板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。

虽然非连续螺旋折流板的加工技术比较成熟，在石化行业也已得到推广应用，但仍存在诸多不足之处。例如，扇形板连接处成非光滑的锐角过渡，对轴向运动的流体存在反压，流体通过时的突然转向会造成能量损失，在螺旋角较大时能耗更严重；相邻两片扇形板空间对接时，必须附加角接板才能填补缝隙，既费工又废料，又增大了流体的阻力。相比之下，具有理想螺旋曲面的连续型螺旋折流板有着更好的传热与流动特性，但在实际应用时必须首先解决其加工难题。

三分螺旋折流板换热器是申请者在1/4螺旋折流板换热器基础上提出的改进方案，具有适合正三角形排列布管，且零件数目减少等优点。本项目拟通过CFD数值模拟和性能对比实验研究三分螺旋折流板换热器壳侧流体流动和强化传热的机理、特点及主要影响因素，澄清目前存在于1/4螺旋折流板换热器的设计误区；重点研究①非连续螺旋折流板螺旋角与倾斜角的关系，以及它们对传热与流动阻力的影响；②壳程螺旋流动流场在离心力、粘性阻力、径向压力分布等因素作用下呈现的二次流等流动细节；③相邻折流板外圈连续相接或直边周向重叠形成的V形缺口处和轴向搭接形成的X形缺口处的泄漏量和泄漏方向及其对传热与流动的影响；④在性能实验基础上，分析和关联已有的和新做的实验数据，得出螺旋折流板换热器中壳侧对流换热系数、阻力系数的准则数关联式，建立螺旋折流板换热器传热与流动设计体系；从而更深刻地理解其强化传热机理，并为工程应用提供优化设计方法和程序。

螺旋折流板换热器中壳程的流动方式与单弓形结构下具有很大的差别，在采用扇形板拼接而成的螺旋折流板结构中采用双螺旋结构来布置更多的折流板，减少流体在扇形板拼接处的漏流，使壳程流体流动更接近于平推流。

双螺旋结构中，壳程流道被分割成两个相互独立的相似的螺旋形通道，每个流道的流通截面积只有连续结构的一半。如果忽略折流板的厚度，则可以认为相同流量的壳程流体流过双螺旋结构时与单螺旋结构具有相同的流速，同时其流场中的传热与阻力性能也相同。而在实际使用的平面板拼接而成的螺旋折流板结构中，在两个相邻的折流板之间存在着一定的漏流，即有部分流体从相邻两块扇形板之间的三角形区域流过，这部分流体没有参与螺旋形流动。而双螺旋结构中，相当于在单螺旋结构的基础上，在螺旋流道中间再加入一块螺旋折流板，可以减少漏流流体的份额。

因而可以预期双螺旋结构具有比单螺旋结构更好的性能。

(1)在螺旋折流板中，可以采用单螺旋与双螺旋两种不同的结构形式，采用双螺旋结构可以在壳程布置更多的折流板。

(2)采用双螺旋结构的螺旋折流板，可以减少折流板之间的漏流，使流体更好的按照平推流流动，可以提高螺旋折流板的性能。

(3)试验研究表明，采用双螺旋结构，与单螺旋结构相比，在相同的壳程JRe时的压降与传热性能都增大，单位压降的传热性能提高。2100433B