（化工过程机械专业论文）折流杆换流器的数值模拟与实验研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 i i , n | n u lu y 1815 谢岑 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 。 作者签名： 缛缸尹 日期：血1 7 年6 月( 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大 学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。 本学位论文属于： 嘶杲密，在立年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单 位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“) 本人签名： 导师签名： 摘要 捅斐 折流杆换热器是一种新型壳程纵流式换热器，与传统的折流板换热器相比， 它具有优良的防流体诱导振动性能，流动阻力小，传热性能好，重量轻，节省材 料等显著优点。自从上个世纪7 0 年代由美国菲利浦石油公司首次研制成功后，国 内多家研究单位和高校也对其进行了热力一水力研究，不但对其结构进行了各种创 新和补充，还将该换热器技术推广应用到了各种场合。由此可见折流杆换热器具 有很大的开发潜力和研究意义。 目前使用和研究中的折流杆换热器基本上以正方形布管方式存在，现有的使 用成熟的设计经验公式也都在此基础上总结出来的，然而传统的管壳式换热器多 为三角形布管，而且这也是为了达到紧凑布管，获得最大换热面积的推荐布管方 式。针对这样的现状，为了进一步了解和揭示正三角形布管方式下折流杆换热器 壳程热力一水力性能的特点，从而扩展折流杆换热器的布管方式，也便于传统管壳 式换热器的改造，本文分别通过仿真模拟和实验研究的方法对其进行了传热和阻 力性能的研究，主要工作包括： 1 设计并制造了一台三角形布管的实验用折流杆换热器； 2 在该台换热器实际壳程结构的基础上作合理简化，并采用分块划网的方法， 分段建立其壳程结构的三维实体网格模型； 3 利用大型商用c f d 软件一f l u e n t 对该台三角形布管的折流杆换热器作不同 入口流速的三维湍流数值模拟，得到细观的局部场图，并对计算出的传热膜系数 和压力降结果进行相应的数据处理，拟合出传热和阻力的准数关系式； 4 搭建实验平台，确立实验方案，分别对该换热器进行热模和冷模实验，通 过实验数据拟合出该折流杆换热器的传热和阻力准数关系式； 5 将实验结果和数值计算结果进行对比，从而验证数值计算方法的有效性； 将本文的结果和其他相关换热器的实验研究数据和经验公式进行对比，讨论了折 流杆换热器在三角形布管方式和正方形布管方式下的性能差异，以及折流杆换热 器和弓形折流板换热器之间的差异。 最后得出结论：本文对折流杆换热器壳程流体传热和流动的特性的数值模拟 方法是可行的，得到的结果和实验结果符合较好，因此可以在本文基础上继续完 善和发展成为一种快速有效的换热器研究手段。本文设计的三角形布管的折流杆 换热器在与其他换热器的对比中呈现出较优的综合性能，表明其确实具有一定的 优越性，该布管方式值得进一步的研究和推广。 关键词折流杆换热器；实验研究；数值模拟；布管 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o d b a f f l eh e a te x c h a n g e ri san o v e lt y p eh e a te x c h a n g e rw i t h l o n g i t u d i n a lf l o wi ns h e l 卜s i d e ，w h i c hp o s s e s s e sp r o m i n e n ta d v a n t a g e sw h e n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp l a t e b a f f l eh e a te x c h a n g e r ，s u c ha se x c e l l e n t a n t i _ v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，l o wf l o wr e s i s t a n c e ，g o o dh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c ，l i g h tw e i g h t ，a n dt h ee c o n o m i z a t i o ni nm a t e r i a lu s i n g ，e t c s i n c ei tw a sf i r s ts u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yu sp h i l i p sp e t r o l e u mc o i n 1 9 7 0 s ，m a n yr e s e a r c hs t u d i o sa n dc o l l e g e si no u rc o u n t r yh a v ea l s od o n e p l e n t yo ft h e r m a l h y d r a u l i cs t u d i e so ni t ，a n dn o to n l yp r e s e n t e da 1 1k i n d s o fi n n o v a t i r ed e s i g n so ni t ss t r u c t u r e ，b u ta l s ow i d e l ya p p l l e ds u c hh e a t e x c h a n g e rt e c h n o l o g yt od i f f e r e n to c c a s i o n s i ts h o w st h a tr o d b a f f l eh e a t e x c h a n g e ri so fl a r g ep o t e n t i a l st ob ee x p l o i t e da n df u r t h e rr e s e a r c ho n i ti sr e a l l ys i g n i f i c a n t a tp r e s e n t ，a l m o s ta 1 1r o d b a f f l eh e a tc h a n g e r si nu s i n go rs t u d y i n g h a v es q u a r ea r r a n g e m e n t si nt u b el a y o u t ， a n d t h ee x is t i n ge m p i r i c a l e q u a t i o n sf o ri t sd e s i g nh a v ea l s ob e e ng e n e r a t e db a s e do ns u c ht u b el a y o u t i ti sk n o w nt h a tt r a d i t i o n a ls h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e ri ss u g g e s t e d t oh a v et r i a n g u l a ra r r a n g e m e n ti nt u b el a y o u t ，w h i c hc a na c h i e v eac o m p a c t t u b el a y o u tp a t t e r n ，a n dt h el a r g e s ta r e ao fh e a tt r a n s f e rs u r f a c e b e c a u s e o ft h ea b o v es i t u a t i o n ，a n di no r d e rt oe n l a r g et h et u b el a y o u tp a t t e r n s f o rr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r ，f u r t h e rr e s e a r c ho nt h et h e r m a l h y d r a u li c p e r f o r m a n c eo fr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e rw i t ht r i a n g u l a ra r r a n g e m e n ti n t u b el a y o u ti sc a r r i e so u ti nt h i sp a p e rb o t hb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d a n db ye x p e r i m e n tm e t h o d t h em a i nw o r k sa r ea sf o ll o w s ： 1 d e s i g na n dm a n u f a c t u r ea ne x p e r i m e n t a lr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r w i t ht r i a n g u l a ra r r a n g e m e n ti nt u b el a y o u t 2 m a k ear e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o nb a s e do nt h er e a ls h e l ls t r u c t u r e o ft h ee q u i p m e n t ，g e n e r a t eg r i d sa f t e rs p l i t t i n gt h es o l i dm o d e li n t o d i f f e r e n tp a r t s ，a n db u i l du pt h r e ed i m e n s i o n a lm e s h i n gm o d e l sf o r s u b s e c t i o n so ft h ew h o l eh e a te x c h a n g e r 3 u t i l i z et h el a r g ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e f l u e n tf o rt h es h e l ls i d e t u r b u l e n tf l u i df 1 0 ws i m u l a t i o n si nd i f f e r e n ti n l e tv e i o c i t i e s t h e1 0 c a l p l o t s f o rf l o wf i e l d s i n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ed r o p s ，v e c t o r v e l o c i t i e s ，e t c ，a r eo b t a i n e d ，a n db y t h e p r o p e rp r o c e s s i n g o nt h e i i c a l c u l a t e dd a t a ，t h eh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sa n dp r e s s u r er e s l s t a n c e c o r r e l a t i o n sa r ef i t t e do u t 4 e s t a b lis ht h ee x p e r i m e n t a lt a b l e ，m a k eo u tt h ee x p e r i m e n t a ls c h e m e ， t h e nc a r r yo u tt h eh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n ta n dp r e s s u r el o s se x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y b yt h ep r o p e rp r o c e s s i n go nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h eh e a t t r a n s f e rc o r r e l a t i o n sa n dp r e s s u r er e s i s t a n c ec o r r e l a t i o n sa r ef i t t e do u t t o o 5 c o m p a r e t h et w or e s u l t sg e n e r a t e db y n u m e r i c a lm e t h o da n d e x d e r i m e n t a lm e t h o dt ov a l i d a t et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：c o m p a r et h e r e s u i t so ft h i ss t u d ya n do t h e rp u b l i s h e de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h sa n d e m d i r i c a le q u a t i o n so fc o r r e l a t e dh e a te x c h a n g e r s m a k ed i s c u s s i o n so nt h e d i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sb e t w e e nt r i a n g u l a ra n ds q u a r ea r r a n g e m e n t si nt u b e l a y o u to fr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r ，a n da l s oo nt h ed i f f e r e n c e s b e t w e e n r o d b a f f l et y p ea n ds e g m e n t a lp l a t e b a f f l et y p eh e a te x c h a n g e r s i t i sc o n c l u d e dt h a t ： t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o n c e i v e di nt h i sp a p e ri s p r o v e dt ob e f e a s i b l e ，a st h en u m e r i c a lr e s u l t sc o r r e s p o n dt o t h ee x p e r i m e n t a lo n e s w e l l w h i c hi sh o p e dt ob ec o m p l e t e dt oaq u i c ka n d e f f e c t i v er e s e a r c h m e t h o di nh e a te x c h a n g e r t h er o d b a f f l e h e a te x c h a n g e r ss h o wb e t t e r i n t e g r a t ep e r f o r m a n c et h a nt h es e g m e n t a lp l a t e b a f f l e h e a te x c h a n g e r s ： f o rr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r s ，t h eo n ew i t ht r i a n g u l a ra r r a n g e m e n ti nt u b e l a y o u td e s i g n e di nt h i ss t u d ys h o w s b e t t e ri n t e g r a t ep e r f o r m a n c et h a nt h a t w i t hs q u a r ea r r a n g e m e n ti nt u b el a y o u t ，w h i c hi n d i c a t e t h ef o r m e ro n e s a d v a n t a g ei ns o m ea s p e c t s ，a n da l s oi n d i c a t et h a tt r i a n g u l a ra r r a n g e m e n t i nt u b el a y o u to f r o d b a f f l eh e a te x c h a n g e risw o r t h t ob ef u r t h e r i n v e s t i g a t e da n dp r o m o t e d k e yw o r d sr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r ：e x p e r i m e n ts t u d y ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ：t u b el a y o u t i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 管壳式换热器强化传热概述1 1 1 1 管程强化传热1 1 1 2 壳程强化传热1 1 2 折流杆式换热器概述2 1 2 1 纵流杆式支撑结构的优越性2 1 2 2 折流杆换热器的发展4 1 2 3 折流杆换热器布管方式的研究6 1 3 换热器数值模拟技术进展8 1 3 1 实验方法概述8 1 3 2 数值方法概述8 1 3 3 数值方法在国内外的发展9 1 3 4c f d 软件的发展1 0 1 4 本文主要工作1 2 第二章换热器传热和压降的理论介绍1 3 2 1 换热器中的传热一1 3 2 1 1 传热学理论1 3 2 1 2 换热器热力计算概述1 5 2 1 3 管内流体强制对流传热膜系数公式介绍1 6 2 1 4 正方形布管的折流杆换热器壳程传热计算1 7 2 2 换热器中的压降18 2 2 1 换热器压降概述1 8 2 2 2 管程压降的计算18 2 2 3 正方形布管的折流杆换热器壳程压降计算1 9 2 3 本章小结19 第三章数值模拟的理论基础2 0 3 1 流体流动和传热的数学模型2 0 3 1 1 基本方程一2 0 3 1 2 湍流模型2 1 3 2 数学方程的离散化方法2 4 3 3 离散网格2 5 华南理工大学硕士学位论文 3 4 离散方程的解法2 6 3 5 本章小结2 6 第四章分析模型的建立。2 8 4 1g a m bit 简介2 8 4 2fiu e n t 简介2 8 4 2 1 软件包组成2 9 4 2 2 相关计算模型和算法2 9 4 2 3 求解问题的步骤3 0 4 3 分析模型的建立3 1 4 3 1 实际模型结构参数31 4 3 2 计算模型的简化思路3 l 4 3 3 几何模型的建立3 3 4 3 4 网格的建立。3 4 4 3 5 边界条件的确定3 7 4 4 模型求解方案的建立3 8 4 4 1 流体材料的选择3 9 4 4 2 计算模型的选择3 9 4 4 3 求解器的选择4 0 4 4 4 压力速度耦合算法的选择4 0 4 4 5 对流项的离散格式的选择4 0 4 4 6 压力插值格式的选择4 l 4 4 7 亚松驰因子的确定4 1 4 4 8 收敛准则的确定4 l 4 4 9 网格的后处理4 2 4 5 本章小结4 3 第五章仿真结果分析4 4 5 1 获得模拟计算的传热和流动阻力的准数关系式4 4 5 1 1 获得模拟计算的流体传热准数关系式4 4 5 1 2 获得模拟计算的流体阻力准数关系式4 7 5 1 3 数值模拟拟合曲线的分析和比较4 9 5 2 获得模拟计算的场图及分析4 9 5 3 本章小结5 4 第六章实验研究5 6 6 1 实验换热器的设计和制造一5 6 6 1 1 结构设计5 6 i i 目录 6 1 2 试压5 8 6 2 实验流程一5 9 6 2 1 传热特性实验5 9 6 2 2 阻力特性实验6 0 6 3 实验数据处理6 1 6 3 1 总传热量的计算6l 6 3 2 管内传热膜系数的计算6 2 6 3 3 壳程传热膜系数的计算6 2 6 3 4 压降的计算6 2 6 3 5 实验数据记录6 3 6 4 实验数据传热和阻力准数关系式的拟合6 3 6 5 本章小节6 3 第七章实验结果对比分析6 6 7 1 实验结果和仿真结果的对比一6 6 7 1 1 传热特性的对比和分析6 6 7 1 2 阻力特性的对比和分析6 6 7 2 本文结果和前人实验结果的对比6 9 7 2 1n u 的对比一6 9 7 2 2 a a p 的对比7 0 7 2 3f e 的对比7 0 7 3 本章小节71 结论及建议7 3 结论7 3 对今后研究工作的建议7 3 参考文献一7 5 攻读学位期间发表的论文8 0 至炙谢8 1 附录实验数据列表8 2 h i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管壳式换热器强化传热概述 目前能源紧缺已经成为世界性重大难题，而我国的能耗水平和能源供应缺口 较大，形势更为严峻。要提高能源的利用率、降低能耗，各工业部门就需要大力 发展大容量、高性能换热设备。尤其近二三十年来，化工、石油、轻工等过程工 业得到了迅猛发展，也加速了当代先进换热技术和节能技术的发展，这也为换热 设备的研究和开发赋予了重要的意义。 换热设备在石油、化工、食品等行业中是一种重要的单元设备，通常在化工 炼油等厂的建设中，换热器在全部工艺设备投资份额可达1 0 一4 0 。因此换热器 的综合性能的提高成为相关行业中经济效益提高的一项重要指标，其性能的好坏 也直接影响了过程工业热经济性的高低，从而成为世界各国科研工作者一直致力 研究的一个大课题。种类繁多的换热设备中管壳式换热器具有结构坚固、适应性 强等优点，因此使用广泛1 2 1 。围绕着高效率、低能耗、低成本的中心目标，国内外 研究人员进行了大量的工作，得出了很多新的成果推动了管壳式换热器强化传热 技术的发展。管壳式换热器强化传热的实质就是增强管侧和壳侧的换热，减小其 传热热阻。因此管壳式换热器的强化传热可采取管内强化传热和管外( 壳程) 强化 传热两种途径【3 4 l 。 1 1 1 管程强化传热 一般管内的传热强化有改变传热面形状和加入管内插件两种方法。前者主要 体现在一些不同于光管的新型异型管主要有螺旋槽纹管降e l 、横纹槽管1 7 s l 、缩放 管ij o | 、波节管j 、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管i 他】等；后者则主要是在管内加 入某种形式的插入件【1 3 】，如弹簧插件【1 4 l ，静态混合器，锯齿形和星形内插件【1 5 】。 通常对于管程的传热强化研究只需要做单管实验就可以得到其传热和流阻性能， 设备简单，所以近年来对其研究报道较多。 1 1 2 壳程强化传热 除了上述改变换热管的表面可以使壳程的传热得以强化外，改变壳程的支撑 结构使得壳程的传热综合性能以及管束的抗振性能得到增强h1 2 】也是常见的强化 措施。但是壳程的传热强化由于需要做管束的传热和流体阻力实验，设备较庞大， 华南理工大学硕士学位论文 实验费用较高，因此研究报道相对管程的较少一些u 6 ，在这里做如下三方面介绍。 板式支撑结构传统的单弓形折流板支撑，壳程流体易产生流动死角，传热 面积无法被充分利用，因而壳程传热膜系数低，易结垢，流体阻力大，而且容易 产生流体诱导振动。新型的壳程折流板支撑结构1 1 7 l ，如多弓形，整圆形，异型孔 网状板等，都可以将壳程流体的流动大部分变为平行于管子的纵向流动，同时增 强抗振性。此外，被研究比较多的螺旋型折流板t l s ，和传统的弓形折流板相比既 可以消除返混现象又可以减少边界层的形成，在相同的压降下可增加传热膜系数 8 5 以上。但螺旋型折流板加工装配困难，这也是各种新型折流板普遍存在的问 题。 杆式支撑结构折流杆支撑结构由折流圈和支撑杆组成，支撑杆两端焊在环 形折流圈上，折流圈可由棒材或板材加工而成，支撑杆则可由圆钢或扁钢制成。 该结构的优点在于壳程流体沿着纵向流动，减少了流动死区，基本上消除了流体 的诱导振动，增加了管束的抗振性能 1 9 t2 0 。双壳程折流杆换热器 2 h ，即在原折流 杆换热器壳程加装纵向隔板，使流通截面减少一半。这样可使壳程流速提高l 倍， 传热膜系数提高，这种结构大大扩展了对于壳程流量的适应范围。现有的折流杆 换热器广泛应用于单相、沸腾和冷凝各种工况，它可采用外导流或者内导流结构， 避免流体出口和入口出现短路现象【：o 】。 其它支撑结构如空心环支撑结构【：】，变截面换热管1 1 2 和绕丝管【2 3 】的自支撑， 华南理工大学的钱颂文、江楠等对扭曲变截面管、绕丝管和光滑管三者组成的混 合管束作过专门的理论分析和实验研究【：】，表明其既可提高总传热系数和管内外 传热膜系数，又可以使管内压降不致过大，这些混合管束正是靠彼此的变截面部 位和绕丝部位相互支撑的；还有人提出采用螺旋扭片i ：s ，作横纹槽管管壳式换热器 的管间支撑，使壳程内流体作纵向冲刷管束流动，以强化传热；另外组合支撑方式 也有见报道研究，如折流板和扁钢条的复合支撑【2 6 】。 1 2 折流杆式换热器概述 1 2 1 纵流杆式支撑结构的优越性 如上所述管壳式换热器的传热效率和壳程流体的流动状况是密切相关的。壳 程流体流动方向一般存在着三种形式：横向流、螺旋流和纵向流】。 横向流为主的换热器最显著的特征是流体流动的方向与管束近似垂直，典型 代表是折流板换热器，从整体上来看其流体流动的方向是横向流和平行流的耦合， 由于横向流的存在，它就存在着上节所述的缺点：壳程传热系数低，易结垢，流 2 第一章绪论 体阻力大，而且容易产生流体诱导振动。 螺旋流换热器的管束支撑是螺旋形折流板，其流体流动与管束成一定的夹角， 整体流向为纵向流，同时在横向伴有螺旋运动，典型代表是螺旋折流板换热器。 但是同样会存在流体阻力大，而且换热器的制造和安装也比较复杂。 纵向流换热器的特征是壳程流体流动的方向跟管束平行，纵流壳程换热器是 指通过一定的管束支撑结构来代替传统的折流板支撑结构，使壳程流体主要呈纵 流方式流动的一类换热器。其突出特点是：壳程流体纵向冲刷管束，与管程流体实 现了完全逆流，因而有效温差大，无传热死区；支撑结构不但对管束起支撑作用 还对壳程流体产生扰动，强化传热。因此该类型换热器克服了传统折流板换热器 中流体的错流流动方式带来的阻力大、传热死区大等缺点，既改善了传热性能， 也有效地防止了流体横向冲刷管束时引起的流体诱导振动【1 9 j 。该类换热器中最典 型代表是折流杆换热器，它是将普通换热器常用的弓形折流板改为折流杆网式支 图1 1 折流杆换热器壳程示意图 f i g 1 l s c h e m a t i c d i a g r a m o fs h e l l s t r u c t u r eo fr o d b a f f l eh e a te x c h a n g e r 撑，使换热管的固定由折流板孔 图1 - 2 杆式折流栅示意图 f i g 1 - 2 s c h e m a t i c d i a g r a m o fr o d b a f f i e 3 变为用折流杆从上下左右四个方 向来夹持，其壳程示意图如图 1 - 1 所示【2 0 2 7 1 。 在上节已对杆式折流栅支撑 结构作了介绍，其结构示意图见 图1 2 ：折流栅由折流圈和支撑 杆组成，支撑杆两端焊在环形折 流圈上；必要时可以加入分程隔 板，从而增加壳程流体的流速。 如上节所述该结构可以增加管束 的抗振性能，减少壳程的压降， 同时减少流动死区，提高传热效 率。而折流杆对流体的扰动作用 则可以进一步起到强化传热的效 果。故折流杆换热器的整体换热 性能有所提高。从而此类换热器 具有传热效率较高、流动阻力小、 抗结垢能力强、设备投资及操作 费用低等优点【2 8 2 9 3 0 川瑚】。 由此可见管壳式换热器壳程 强化传热途径可朝以下两个方向 发展：1 将壳程流体流动向纵向 华南理工大学硕士学位论文 流发展，这样可使流动压降减少，传热面积得到充分利用，从而提高壳程的传热 综合性能；2 将壳程的支撑结构向着流阻低、坚固、结构简单等方面发展，这样 可以减少操作费用和制造成本。从这两点看来，纵流式折流杆换热器的确具有很 大的开发应用价值。 1 2 2 折流杆换热器的发展 上个世纪7 0 年代美国菲利浦石油公司为解决某炼油厂重沸器中的流体诱导 振动问题，开发出折流杆换热器；之后该公司又进一步对这种换热器的流体力学与 热力学的计算进行了大量理论与实验研究，并开发出了该种换热器的设计计算程 序，该技术在世界各地得到广泛应用 3 2 】。 在国内，折流杆换热器推广应用初期，华南理工大学对折流杆换热器的传热 机理、设计特点及结构方面做了大量的工作【：o l ，早在1 9 8 0 年就开始对该换热器的 抗振及传热性能进行研究，化机所的钱颂文、曾文明等与桂林化机厂联合首先试 制成了气一气折流杆换热器，并获得专利，当时在6 0 多家工厂中，有1 5 0 台设备 投用，效果很好，成为国内小化肥更新换代的新产品；之后又与洛阳石化工程公 司和抚顺机械厂设计了一台光管油品浮头式折流杆换热器，安装投用后效果良好 【3 5 ，；钱颂文、方江敏等在9 0 年代初又对螺旋槽管折流杆冷凝器进行了实验研究和 理论分析，并得到了相应的计算公式指导工业应用 3 6 1 ；之后钱颂文等又将此螺纹 槽管折流杆换热器应用于沸腾换热，试验研究证明其既能强化沸腾传热又能抗振 3 7 1 。于是折流杆换热器从最初的单相强化传热扩展到了冷凝、蒸发等不同领域。 由此可见，折流杆换热器拥有很强的适应能力，在各行业都具有广阔的应用前景。 自华南理工大学化机研究所开创了国内折流杆换热器研究先例后，国内至少 有数十家高校、研究所先后对这种换热设备进行了不同程度的理论分析与实验研 究。经过模型实验、设备试制、工业实验等研究阶段，至今已总结出包括工艺计算、 结构设计、) j n t n 造等一系列的该种换热器的设计、制造技术，并已取得良好的结 果【3 。_ 9 删。目前国内它的设计和制造普遍参考g b l 5 1e 4 q 。不过其相关的设计、制 造方法和投入使用的部分型号经过专家总结，已经被编入了化学工业出版社出版 的换热器设计手册【：】。 随着纵流式折流杆换热器技术越来越广泛的应用，国内研究工作者对其结构 和应用范围也在不断地尝试创新和推广，希望能够充分发挥其独特的优势。 郑州大学热能工程研究中心从1 9 8 6 年开始研究纵流壳程换热器，在前人研究 的基础上，对传统的管壳式换热器的结构进行了系统优化，研究出了由杆圈( 杆栅、 圈) 支撑壳程、变截面导流筒与夹套三元件组合的新结构 4 3 1 。 在国外早期就出现过利用扁钢条作为折流元件用于合成氨厂的尿素汽提塔的 4 第一章绪论 事例。华南理工大学化机所也曾将扁平钢条形成格栅折流板代替折流杆，投入工 业应用，应用证明其确实可以起更好的支撑作用，并同时具有折流杆的强化传热 作用1 3 4 1 。1 9 9 9 年一2 0 0 0 年云南工业大学的胡明辅等在文献 4 4 、 4 5 中专门对折 流栅抗振型换热器的抗振性能以及流体流动和传热性能作了研究和分析，指出该 换热器的特征就是用“扁钢支撑条 取代折流杆换热器的“折流杆( 圆杆) ，支撑 条与支持圈一起构成抗振栅。支撑条厚度相当于管间间隙，管子即被扁钢条紧紧夹 住，支撑条与管子的接触方式为“线接触”，对管子振动的抑制作用较强。 1 9 9 9 年抚顺石油学院的张克铮等又对扰流子折流杆换热器进行了强化传热 的实验研究 4 6 埘j 。他们将折流杆换热器技术与扰流子强化管传热技术加以复合， 对不同物系，不同扰流子结构参数进行实验对比，进而对各种结构进行优化，在 保证管外“涡街 扰动，且接近逆流流动的前提下，加强管内扰流子对流体的纵 向混合，使流体在离心力的作用下，螺旋流动，管内、管外的对流传热同时加以 强化，因而传热效果较普通折流杆换热器有大幅度提高，特别对管内为控制热阻 的换热过程效果尤为突出。 2 0 0 2 年华东理工大学的严良文，王志 文等提出了一种具有波形扁钢支撑结构的 折流杆换热器的专利技术 4 8 1 。如图卜3 该 换热器用波形扁钢代替圆杆支撑换热管， 该形状的支撑条能使换热管按照g b l 5 1 的 标准采用正三角形布管，使得换热器结构 变得更为紧凑。该波形折流杆换热器经过 工业实验表明传热综合性能优于折流板换 热器f 4 9 5 0 l 。 2 0 0 3 年上海交大的王学生等提出将 折流杆技术应用于套管式管束换热器1 5 t l ， 对折流杆螺旋槽管及折流杆光滑管换热器 瀛鬣 j 图1 3 波折杆折流栅示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f w a v er o db a e 的壳侧进行了传热与流阻性能研究，并与传统的折流板结构进行了比较，套管式折 流杆螺旋槽管束换热器壳侧具有较好的传热与流阻性能，并且在某油田原油计量 输送站应用的效果也表明该换热器达到了节能降耗的目的。 最近两年国外还报道过的关于支撑核反应堆中核棒的栅格( s u p p o r tg r i d ) 的传热和阻力特性的研究1 5 2 ”l ，其实这种栅格和折流杆换热器中的折流栅异曲同 工：不但起支撑作用，还使得冷却介质如水，从栅格形成的纵向流道中平行流过 核棒，并同时发生对流换热，从而起到降温的作用。栅格的开孔率，开孔形式和 角度则影响着传热强度。由此可见折流杆换热器原理在换热设备中有着非常广泛 的适用范围，具有很大的开发潜力，值得我们从不同的角度深入研究下去。 5 华南理丁大学硕+ 学位论文 1 2 3 折流杆换热器布管方式的研究 传统折流板式换热器通常采用的都是 正三角形布管，这样的布管方式在保证必 需的管间距的前提下可以使布管紧凑，从 而得到最大的换热面积，进而增强传热效 果，减小换热器体积。所以目前工业上使 用的管壳式换热器多为正三角形布管。而 目前制造和使用成熟的折流杆换热器几乎 均为正方形布管【4 0 】。因为要使这种型式的 换热器在制造中可以方便的将管束穿过直 溯 图1 - 4 正方形布管示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f s q u a r ea r r a n g e m e n ti nt u b el a y o u t 的折流杆所形成的栅格，就不得不把原已排列较为紧凑的正三角形布管的管间距 加大，改成大间距的正三角形布管，或改成正方形布管，其中以正方形布管用得 最多，如图1 - 4 。但这样和标准管心距的三角形布管比较起来，管束的结构更松 散，壳侧流体纵向流动速度会有所降低，r e 准数减小，壳侧的传热膜系数自然也 会降低。所以采用正方形布管而不能使折流杆换热器结构充分紧凑、传热面积得 到充分利用的现状应该得到改善。 菲利浦石油公司在发明了折流杆换热器后，对换热管和折流杆的布置方式也 进行了进一步研究。在其一项专利中指出在一些应用场合比如表面冷凝器和发电 厂等减少折流杆换热器的壳侧压降是非常重要的【】。增大折流栅的距离或者增大 管心距从而减少管子数量都可以达到降低壳侧压降的目的，但是为了不增大管子 诱导振动的可能性只能选择增大管心距。若还采用通常的正方形布管，折流杆垂 直排列的方式，折流杆直径显然会增大，如图1 - 5 示，这样又会使流体流过折流 杆的压降增大。因此提出一种管束仍为正方形排列，但折流杆相互交叉布置的方 图1 5 折流杆垂直排列 f i g 1 - 5v e r t i c a la r r a n g e m e n to fr o d s 6 图1 - 6 折流杆叉排 f i g 1 - 6c r o s sa r r a n g e m e n to fr o d s 第一章绪论 式，如图1 - 6 所示，在相同的管束下，图卜6 的折流杆直径显然小于