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化工生产设备的优化设计实例高效节能帘式折流片换热器介绍过程装备与控制工程 盛遵荣（20100360116）摘要：在提出壳程流态“斜向流”的设计理念后，郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室开发了一种新型节能管壳式换热器帘式折流片换热器。该换热器采用导向型折流栅，实现了壳程流体斜向流动，对流体的扰动效果明显强于折流杆，壳程传热系数显著升高，高于折流杆换热器20-30，尤其在壳程Re较高时更为显著，而且压降比弓形折流板换热器有大幅度降低。故斜向流管壳式换热器有显著的强化传热和流动减阻效果，尤其适合于要求较高的传热系数而流体外加动力有限的场合，为我国工业生产设备的优化和节能降耗提供了新技术。关键词：管壳式换热器；斜向流；数值模拟；强化传热；流动减阻前言：换热设备技术落后是造成当前我国能源有效利用效率低下的重要原因之一，高效节能换热设备研究开发是当今工程节能的重要途径。随着常规能源的日益短缺，现代工业生产对能源消耗要求的进一步提高以及工业再生产规模的不断扩大，如何保证在安全、高效生产的前提下实现能源的高效利用，已受到世界各国的广泛关注，与之相关的各种研究也已成为学术界和各工程部门的热点。换热器不仅是石油、化工、化肥、动力、冶金、交通等众多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备，也是余热回收利用的有效装置。管壳式换热器是目前热力系统中最为常用的换热设备结构形式。管束支撑物是壳程的关键结构，可使壳程流体产生期望的流动形态，是决定换热器传热和流阻性能的重要因素，不同的壳程流体流动形态使换热器传热和流动阻力等性能呈现出很大的差异1。按壳程流体流态划分，管壳式换热器可分为横向流、纵向流和螺旋流三种类型。传统折流板换热器壳程流体横向流动，对换热管冲刷强烈，但易产生流动与传热死区，换热面积无法充分利用，流动阻力大、易结垢，而且壳程流体流速较高时易产生诱导振动破坏，因而使用场合有一定的局限性2-3；折流杆换热器实现了壳程流体纵向流动，表现出更优的传热、低流阻、抗振和抗垢性能，但也有结构不够紧凑和在低Re工况下传热效果不佳的缺陷；螺旋折流板换热器实现了壳程流体螺旋流动，流体流速变化较为平缓，并可有效消除死区和返混现象，但因其制造和安装难度大，故未能得到广泛应用2, 4-6。为解决目前管壳式换热器的不足，郑州大学古新专家和董其伍教授等人采用壳程流体斜向流动的方式达到强化传热和流动减阻目的的新思路和新方法，并基于此研究开发了一种具有新型管束支撑结构的高效节能管壳式换热器帘式折流片换热器。1 帘式折流片换热器设计介绍1.1 结构介绍该换热器核心构件为导向型折流栅。采用导向型折流栅支撑换热管束，折流栅由若干片形状特殊的折流片平行放置，并保持折流片中面与管束轴线呈一定夹角后，两端焊接在折流圈上组合而成，加工制造简便，可在专用模具中组合焊接成形。换热管嵌入折流片边缘上的孔槽，折流栅在壳程内沿管长方向等距排列。通过相邻折流栅上的折流片可实现换热管在横向和纵向位置上的完全支撑和定位，如图1所示。根据相邻两折流栅上折流片不同的旋向，折流栅的装配方式有同向、正交和对称三种类型，装配方式灵活，便于实施换热器操作条件的调节。 图1 帘式折流片换热器壳程结构示意图 图2 帘式折流片换热器壳程流体流动状态导向型折流栅起到如下作用：支撑和定位换热管；相邻折流片之间形成倾斜流道，致使流体受迫产生射流，吸卷和扰动作用强烈，有助于提高主流的湍动程度和平均流速；折流片外缘上的突起部位对换热管间的流体提供较强的扰动作用，在其后产生旋涡尾流，提高了壳程流体的局部湍流度；在折流片上所开的小孔进一步增加流体的扰动，降低流动阻力。斜向流作用效果（见图2），实际上是将横向流换热器壳程主流区的横向流动分散为多股受迫倾斜流动，将横向流换热器壳程流动死区予以分散并凭借特殊管束支撑结构特点予以部分消除，通过管束支撑结构的导流作用，避免了流体因受横向阻挡产生的速度剧烈变化和动能损失，同时还有效利用了横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起强化传热效果。其总体上的纵向流动趋势，又在一定程度上继承了纵向流换热器抗振性能好、除垢防垢效果强、综合性能优等特点。1.2 结构参数介绍对于帘式折流片换热器，影响传热和流阻性能的结构参数主要有两个，折流片倾角，即折流片与换热管轴向的夹角，以表示；折流栅的装配方式，即根据相邻两折流栅中折流片不同的旋向分为同向、正交和对称三种装配方式。改变这些因素，可得到不同结构组合。通过对不同结构组合在不同工况下的数值模拟分析，能够发现不同的结构参数对帘式折流片换热器壳程流体流动和传热性能的影响规律，为帘式折流片换热器的结构改进、性能优化提供依据。1.2.1 模拟方法介绍计算模型采用周期性全截面计算模型7-8。帘式折流片换热器周期性全截面计算模型的主要几何参数列于表1。换热管壁保持120恒温，以常温下的水作为壳程介质，流量取管壳式换热器壳程内常用流速对应的质量流量范围。计算方法和边界条件：计算区域采用分块划分、结构化和非结构化网格相结合的方式进行网格划分，近壁节点采用壁面函数法处理，稳态隐式格式求解，采用标准-湍流模型计算湍流参量的影响；控制体积界面的物理量均应用二阶迎风差分格式获取；采用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合问题；假定换热管壁恒温，壳程介质为水，物性参数取定性温度下的常量；给定壳程流体的进口质量流量及相应的温度和湍流条件；周期性模型的进、出口为周期性边界条件；壳体壁面和管束支撑装置采用不可渗透、无滑移绝热边界条件。表1 换热器模型主要结构参数筒体内径（mm）换热管型号换热管中心距（mm）换热管数量布管方式支撑间距（mm）折流片倾角（）折流片宽度 （mm）2521正方形100、150200 30、45、60 25、30、351.2.2 折流栅装配方式的介绍根据相邻两折流栅中折流片不同的旋向，将折流栅的装配方式分为对称、同向和正交3种类型。表2给出了在相同折流片倾角情况下，壳程Re 为1104时，不同折流栅装配方式的数值模拟结果如表2。表2 采用不同装配方式的计算结果装配方式(W/m2K)P(Pa/m)/P对称方式5254.899377.060.56同向方式5566.5910298.280.54正交方式5865.6310266.990.57由表2可见，在本文取定的流量范围内，对于不同的装配方式，其传热和压降性能相差不大，工程中可依据实际工艺要求进行选择。考虑建模方便和计算规模等因素，除特别注明外，下面数值模拟所用模型均为折流片同向装配方式。1.2.3 折流片倾角设计介绍古新等人对不同折流片倾角计算模型进行模拟，结果如图3。（a）传热系数随壳程流量变化 （b）压降随壳程流量变化 （c）综合性能随壳程流量的变化图3 折流栅倾角影响由图3可知，随着折流片倾角增大，其传热系数增大，这是因为折流片倾角较大时，倾斜流道在壳程横截面上的投影面积减小，故在保持壳程流体流量不变的情况下，更有利于提高倾斜流道中的流体流速，且流体倾斜流动时冲刷换热管局部区域的速度横向分量增大，故冲刷管壁的动量增大，更有利于减薄管子外围的边界层，因此提高了换热器的传热性能。由图3可知，随着折流片倾角增大，流体流经折流片时的形体阻力增大，且折流片下游开始出现回流区且回流区体积有随倾角增大而增大的趋势，故壳程总压降增大。由图3可知，随着折流片倾角增大，换热器的综合性能降低，可见折流片倾角对壳程压降的影响程度强于对传热性能的影响。传热要求能够得到满足的前提下，应减小折流片倾角，可以减少压力损失；相反，如泵或风机功率尚有余量，可在压降有所增大的情况进一步提高传热性能。随着壳程流体流量的增加，以上三种结构的壳程传热系数均增强，压降均上升，但是综合性能有所降低。且当折流片倾角较大时，壳程流体流量对其传热和阻力性能的影响程度较高。2 帘式折流片换热器传热机理介绍相邻两折流片之间形成倾斜流道，壳程流体流入这些倾斜通道，通道内主流区流体流动方向在折流片的强制导向作用下与换热管呈一定夹角。相对于折流杆换热器壳程流体流动方向基本上平行于换热管，这种流动状态更有利于冲刷换热管壁，使得壳程流体总体上呈纵向流动的趋势下，折流片与换热管接触处的局部区域又存在类似于折流板换热器中的横向流动。随着流体流速的加快和湍动程度增强，流体对管外边界层液膜的剪力加大，从而使液膜持续减薄，既充分利用了因横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起的边界层削弱的优势，又改善了完全横向流动导致的流动死区大、换热面积利用率较低的弊端，削弱了折流板换热器壳程流体因受到折流板横向阻挡和翻越折流板导致的压力损失；壳程流体在倾斜流道中受迫流动形成射流，对主流区流体的吸卷和扰动作用强烈，有助于进一步提高主流区的湍动程度和平均流速。折流片的开孔直径略大于换热管外径，倾斜放置与换热管接触后，在换热管外壁周围形成形状复杂的孔隙，壳程流体中除主流区流经倾斜通道冲刷换热管外，部分流体穿越这些孔隙，在换热管外壁处产生贴壁射流，进一步增强了流体对管壁的冲刷程度；折流片外缘上的突起部位，嵌入相邻换热管之间，除起支撑和定位换热管的作用外，对换热管间的流体提供较强的扰动作用，在其后产生旋涡尾流，提高了壳程流体的局部湍流度。流体的流速越大，湍动越激烈，强化了传热，在旋涡强度减弱后，流体通过后面的折流元件又产生新的旋涡。3 帘式换热器传热性能的试验研究介绍3.1 实验装置及实验流程实验装置流程如图4、5所示，实验装置及测量系统主要由供料系统、数据采集、处理系统及实验模型三部分组成。供料系统包括：由燃油蒸汽锅炉和分汽缸连续供应给换热器管程饱和水蒸汽，由离心式鼓风机连续供应给壳程空气，二者流量均可通过阀门调节；数据采集及处理系统包括温度传感器、气体涡轮流量传感器、转子流量计、压差变送器、压力表、显示仪表、流量调节器、数据采集器和计算机等。设计了管束支撑分别为弓形折流板、折流杆和斜向流管束支撑的三种换热器实验模型并行连接，换热器外壳均覆以保温层，可同时或单独进行传热实验，以便比较不同支撑结构的换热器传热和流阻性能。除内部管束支撑结构不同以外，三台换热器模型的其他零部件如壳体、换热管及其接管等的尺寸、数量和安装方位完全相同。 图4 实验装置图 图5 实验流程图3.2 实验性能分析3.2.1 换热器总传热系数总传热系数随壳程流量的变化关系如图6所示。由图6可见，在本实验的壳程空气流量范围内，随着空气流量的增大，三种换热器的总传热系数均增大，在同等壳程流体流量下，折流板换热器总传热系数最高，但随着壳程流体流量的增大，总传热系数进一步增大的趋势减缓，与其他两种换热器总传热系数的差别逐渐缩小，表明在较高Re工况下，折流板换热器传热性能并不显著；帘式折流片换热器总传热系数高于折流杆换热器，表明相对于折流杆换热器，帘式折流片换热器在较低Re工况下具有较高的传热性能；在较高Re工况下，帘式折流片换热器强化传热性能更为明显，研究结果显示，Re为10000时，帘式折流片换热器壳程传热系数高于折流杆换热器30%左右。图6 三种换热器的总传热系数随壳程流量的变化关系3.2.2 换热器壳程压降壳程压降随壳程流量的变化关系如图7所示。由图7可见，在本实验的壳程空气流量范围内，随着空气流量的增大，三种换热器的壳程压降均增大，在同等壳程流体流量下，帘式折流片换热器壳程压降稍大于折流杆换热器，但远小于折流板换热器壳程压降，且折流板换热器壳程压降随壳程流体流量增大而增大的幅度更为显著（图中可见曲线陡升）。由此可见，换热器壳程压降与管束支撑物结构形式有很大关系，应在保持强化传热效果的前提下，尽量减小支撑物的形体阻力。 图7 三种换热器的壳程压降随壳程流量的变化关系3.2.3 换热器综合性能换热器综合性能（即单位压降下的传热系数）随壳程流量的变化关系如图8所示。由图8可见，在本实验的壳程空气流量范围内，随着空气流量的增大，三种换热器的综合性能均降低，在同等壳程流体流量下，折流杆换热器壳程综合性能高于帘式折流片换热器，但前者随壳程流体流量增大而降低的幅度高于后者。当壳程空气流量增大到一定程度时，综合性能下降的趋势减缓，帘式折流片换热器综合性能已基本接近折流杆换热器综合性能。而折流板换热器综合性能始终低于其他二者，处于较低水平。图8 三种换热器的综合性能随壳程流量的变化关系4 帘式折流片换热器的优势分析（1）提出了换热器壳程流态“斜向流”的新概念。相对于现有壳程流体横向流、纵向流和螺旋流的流动状态，换热器壳程流体的倾斜流动状态，兼有壳程流体横向流动和纵向流动对于传热和降阻性能的双重优势，从而发展和创新了管壳式换热器壳程结构设计理念。（2）在壳程流体“斜向流”设计理念下，这种壳程流体斜向流动的新型高效管壳式换热器成功实现了壳程流体的倾斜流动，改善了壳程流体的流动状态，具有较强的壳程流场均化效果和强化传热能力，为管壳式换热器升级换代提供了一种新技术和新设备。（3）采用导向型折流栅支撑换热管束。折流栅由若干片形状特殊的折流片平行放置，两端焊接在折流圈上组合而成，加工制造简便，可在专用模具中组合焊接成形。折流栅的装配方式有同向、正交和对称三种类型，装配方式灵活，便于实施换热器操作条件的调节。相比螺旋折流板换热器，帘式折流片换热器易于加工制造，且组装方便，更适合大规模工业生产和应用。5 帘式折流片换热器应用前景分析5.1 技术可行性分析（1）换热性能方面，帘式折流片换热器可显著消除壳程流体流动和传热死区，进一步提高传热面积的有效利用率，有助于降低壳程流体的压力损失，尤其适合于要求有较高的传热系数而流体外加动力有限的工况场合。在相同的壳程流体流量下，平均场协同角小于折流杆换热器，壳程传热系数高于折流杆换热器20-30%；壳程压力损失大幅低于折流板换热器。（2）装置结构方面，采用导向型折流栅支撑换热管束，装配方式灵活，组装方便，且易加工制造，加工成本低，更适合大规模工业生产和应用。由此可见，无论从换热性能还是装置结构方面，帘式折流片换热器的推广应用都具有很强的可行性。5.2 市场上的应用前景分析资料显示，在未来的20年内，换热器行业规模将呈稳步上升趋势，所需换热器的行业领域也愈加广泛，应用程度也会进一步增大。对国外换热器市场的调查表明，虽然各种紧凑式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占全部用量的约70%，处于主导地位。鉴于管壳式换热器在工业生产中的重要作用及传统管壳式换热器能耗较大的现状，在当今节能减排的大趋势下，工业生产中换热器必将迎来一次变革，而本文提出的帘式折流片换热器正是在国家能源危机情形下应运而生的，符合当今节能减排主题，有助于管壳式换热器产品的升级换代，提高我国工业节能降耗技术水平。“十二五”期间，工业节能减排必须做到：2015年我国单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量均要比“十一五”末降低18%以上。因此，对于企业来说，要达到国家节能减排指标，必须更换效率较低的设备，寻求新型高效节能设备，同时在企业效益要求下设备成本不能太高、安装检修简便，否则不宜推广。而帘式折流片换热器因其换热性能好、能耗低、易加工制造、组装方便、生产成本低等优势，极有望成为企业核心竞争力产品，因此，在今后的工业换热设备市场中，帘式折流片换热器必占据重要地位，发展前景广阔，极具推广应用价值。参考文献1 Sahin B, Yakut K, Kotcioglu I. Optimum design parameters of a heat exchangerJ. Applied Energy, 2005, 82(1): 90-106.2 董其伍, 刘敏珊. 纵流壳程换热器M. 北京：化学工业出版社,20073 崔海亭, 彭培英. 强化传热新技术及其应用M. 北京：化学工业出版社,2006.4 李安军, 邢桂菊, 周丽雯. 换热器强化传热技术的研究进展J. 冶金能源, 2008, 27(1):