螺旋折流板换热器简介及相关尺寸的算法

1、螺旋折流板换热器简介及相关尺寸的算法 更新时间：2010-03-08 15:14:18王凤林王飞屈英琳姜红梅(北京广厦环能科技有限公司100083)摘要：介绍了螺旋折流板换热器的起源与发展、壳程结构形式和流动原理,对其传热和阻力降的研究现状进行了总结,并给出了结构设计中相关尺寸的计算方法。目前螺旋折流板换热器的研究尚处于起步阶段,解决折流板加工和管束组装难题、提高生产效率、加快螺旋折流板换热器的推广应用是迫切需要解决的问题。关键词：螺旋折流板换热器尺寸算法简介管壳式换热器的出现已有上百年的历史,是应用最广泛的单元设备之一,占我国全部换热器产量的50%以上1。普通的管壳式换热器采用弓形折流板2,

2、折流板与换热管垂直布置,存在流动死区,换热效率难以提高;流体横向掠过换热管,管束易发生振动,造成换热管与管板连接处松动或换热管断裂,导致换热器失效,大直径换热器中的振动问题更为严重。20世纪60年代有学者提出了螺旋折流板的结构型式,但由于制造难度较大,一直未能实现工业化生产。1986年捷克科学家获得了螺旋折流板的专利,1994年ABB公司实现了工业化制造3,在欧美等西方国家得到了应用。20世纪90年代末,国内有单位取得了专利技术并在生产中获得应用4。1螺旋折流板换热器的结构与分析1.1螺旋折流板的结构螺旋折流板换热器的结构型式来源于输送物料的搅龙。最初的螺旋折流板为连续螺旋结构,由于制造上难以

3、实现,目前的螺旋折流板换热器都是采用断续的近似螺旋结构,即采用若干块四分之一壳程横截面的扇形板组装成螺旋状,每片折流板与穿过其上的换热管斜交。在螺旋折流板换热器内,介质自壳层进口向出口呈螺旋状推进,由此产生的离心力提高了流体的湍流程度,也避免了大角度折返带来的压力损失。目前常用的螺旋折流板带有螺旋角和后倾角,其结构如图1所示。流体在壳程的流动不仅与螺旋角有关,而且与螺旋板的具体尺寸有关。可以改变螺旋角角度调整壳程的流通面积,可以采用一定的搭接量来减小换热管无支撑跨距以提高刚度,可以采用双螺旋或双壳程结构来调整壳程的流体流动。明确螺旋折流板尺寸对传热及阻力性能的影响,是研究螺旋折流板换热器的一个

4、重要课题。1.2螺旋折流板换热器中流场间的相互作用1.2.1螺旋角对流场的影响5一般情况下,螺旋折流板换热器壳程流体的切向速度ut大于轴向速度uz,且越小,ut越大。脉动速度对很敏感,减小则脉动速度增大。减小,阻力降增加,但与弓形折流板换热器相比,阻力降要小很多。1.2.2流量对流场的影响5在相同时,流量增大时流速沿径向分布趋于均匀,脉动速度增大,有利于传热。这是因为流量增大时,层流边界层变为湍流边界层,分离点提前,管束后产生大量漩涡,漩涡运动可增强液体径向混合,使速度沿径向分布趋于均匀。1.3螺旋流动对换热的影响(1)在螺旋流动中,切向速度产生作用在流体上的离心力,流体外侧压力升高、内侧压力

5、下降,流体在压差作用下从外侧向内侧流动,同时中心的流体出现回流,造成二次流5。螺旋流和二次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在径向均匀化,从而强化传热。(2)螺旋流动的流体斜向冲刷管束,在倾斜和旋转的双重作用下,使速度边界层变得很薄,传热系数得到大幅提高。1.4螺旋折流板换热器的特点与传统弓形折流板换热器相比,螺旋折流板换热器具有如下优点。(1)壳程流体呈螺旋状流动,流体湍流程度加剧,层流底层厚度减薄,利于提高传热系数。据国外文献报道,与弓形板相比,螺旋折流板单位压降下的壳程膜传热系数可提高1.82.0倍,因此在相同热负荷下可减小换热器的尺寸。(2)壳程介质的螺旋流动使其阻力降明显降低,

6、与单弓板相比,相同流量条件下可减少阻力降约45%。(3)壳程无滞流区和死区,无污垢沉积,可延长设备检修周期。(4)更适用于粘稠介质和结垢严重的介质。(5)有效防止了流体诱导振动的发生,适用于流量波动较大和汽液两相的工况。螺旋折流板换热器也有一定的缺点,其螺旋板管孔和定距管的加工较困难,需要专用胎具,管束组装难度较大,造价高于弓形板换热器。2螺旋折流板换热器的研究螺旋折流板换热器的研究主要集中在壳程侧流体力学研究,通过对壳程侧传热和阻力降的研究,选取合适的螺旋角来满足工程上的需要。国外的研究机构主要有美国的传热研究协会(HTRI)和英国的传热及流体流动研究中心。国内西安交通大学是研究较早的单位,

7、并且获得了多项专利。邓斌等采用多孔介质和分布阻力模型阶梯逼近技术对换热器壳程侧的层流流动进行了数字模拟6,表明壳侧流体呈螺旋形流动并与相应的换热器冷态试验进行了对比研究。王秋旺等通过试验对换热器进行了换热及阻力性能研究7,发现在4管程换热器中使用假管会使换热效率降低、阻力增加;在相同雷诺数时,无中心管的传热效率比有中心管的高30%;在相同的壳侧流量下,壳程侧传热系数随螺旋角增大而减小。王良等对螺旋角为10和15的换热器进行了换热与阻力性能试验8。华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室在强化传热和新型壳程强化传热技术方面做了大量研究工作,率先在螺旋折流板换热器中采用低翅片管9。南京工业大

8、学张少维等对折流板间距对换热器性能的影响进行了数值研究10。抚顺石油学院的研究人员采用有机玻璃制作了螺旋折流板换热器的模型,用激光测速仪详细测量了流场的特性,研究了旋流角对速度分布和脉动速度的影响及流量的耦合关系,发现不同的螺旋角和布置方式都会影响流体的速度分布,也会影响换热效果。彭杰等对螺旋折流板搭接量进行了研究,结果表明:搭接布置有利于降低压降,但不利于传热。3结构设计相关尺寸的计算目前常用的螺旋折流板为带有螺旋角和后倾角的折流板,如图2所示。通常情况下,由4块螺旋折流板交错搭接形成一个螺距。为折流板所在平面与管板所在平面的夹角,为带有螺旋角的折流板向流体流动方向(轴向)后倾的角度。将螺旋

9、折流板的边长跨过设备中线重叠一部分,这样可有效减少折流板间的漏流,一般重叠2排左右的管子。折流板投影图和主视图如图3所示。图3左侧是折流板在设备管板截面上的投影图,为1/4圆形;右侧为折流板的主视图,为近似扇形。相关尺寸的算法如下。3.1螺旋折流板边长、夹角及倾角的计算如图2所示,OO为设备轴线,AA在设备轴线上,BAD的粗实线部分为折流板实际空间位置。由图2可看出,和不等时折流板的两个边长不等,这样会给生产中的下料带来很大困难,所以实际设计中尽量使两个角度相等,下面的计算均基于两个角度相等进行。3.1.1边长计算图3中OD为折流板在管板截面投影的中心线,OD为折流板主视图的中心线,从图2可看

10、出两个长度相等且相当于单弓板设备的折流板半径。结合图2和图3可得:R=AB=AD由图2可得出:R=BA=AD=R/cos带有螺旋角和后倾角的螺旋折流板,当两个角度相等时,其实际形状(图3)为两个边长为R、中心线长度为R、夹角为的近似扇形,关于中心线对称。3.1.2夹角计算定距管是一个回转体,其端面要与折流板端面贴合,所以定距管的端面倾角等于折流板倾角,如图4所示。3.4定距管长度计算折流板布置简图如图5所示。在施工图中应给出第1块折流板在设备轴线上的中心点内侧(不包含壁厚)距管板内侧的距离。拉杆的布置见图3。每块折流板的拉杆数为偶数时,应相对于折流板的旋转轴对称布置;拉杆数为奇数时,应将1根拉

11、杆布置在旋转轴上,其余相对于旋转轴对称布置,尽量减少定距管的种类。先在管板的布管图上确定拉杆的位置,以管板内侧面中心点为坐标原点给出所有拉杆中心的坐标值。3.4.1相邻2块折流板之间的定距管长度(轴线长度)相邻2块螺旋折流板之间的定距管的两个端面均为斜面,其轴线长度计算如下:3.4.2前4块折流板到管板内侧面的定距管长度(轴线长度)组成第1个螺旋的4块折流板与管板之间的定距管靠近管板侧为平面,靠近折流板侧为斜面,其倾角为。拉杆在管板上的投影图如图6所示。设第1块折流板在管板上的投影为图6中的第1象限,则L11处的定距管最短,沿顺时针方向定距管长度依次递增,L44处的定距管最长。第1象限4根拉杆

12、中心点的坐标值分别为L11(x1,y1),L12(x2,y2),L13(x3,y3)和L14(x4,y4)。第1块折流板上的4根定距管按长度由小到大的顺序如下:第2块折流板上的4根定距管与第1块上的阶段,试验用模型尺寸太小,研究的结果还达不到工业实践应用的要求,应该走产学研相结合的路线,在企业投运的装置上获取实际运行数据,建立传热和流动的数学模型,开发通用的传热计算软件,尽快实现标准化设计。目前各企业已经认识到了螺旋折流板换热器的优越性能,愿意在装置中采用,但限于机械制造技术一直难以大批量生产。采用先进的制造技术和改造数控机床,解决折流板加工和管束组装难题、提高生产效率、加快螺旋折流板换热器的

13、推广应用,是迫切需要解决的问题。参考文献1王秋旺,罗来勤,曾敏.交错螺旋折流板管壳式换热器壳侧传热与阻力性能J.化工学报,2005(4).2国家质量技术监督局.GB1511999管壳式换热器.1999.3曹纬.国外新型换热器介绍J.化学工程,2000(6).4王正方,王勇,曲大伟.螺旋折流板换热器的研究与制造G.全国化工热交换器技术与设备交流会论文集.2008.5潘振,陈宝东,商艳丽.螺旋折流板换热器的研究与进展J.节能技术,2006(1).6邓斌,吴扬,陶文铨.螺旋折流板换热器壳侧流动的数字模拟G/中国工程热物理学会.2003年学术会议论文集.2003.7王秋旺,罗来勤,曾敏.交错折流板换热器传热与阻力性能的实验研究G/