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双螺旋结构螺旋折流板换热器试验研究

发布时间：2010-1-7 浏览：3787

      l 前 言

        螺旋折流板换热器，也可简称为螺旋换热器(Helixchanger)。其基本结构仍为管壳式换热器，符合GB151-1999或TEMA标准 ¨，只是在壳侧折流板的设计上进行改进，设计一种新型折流板，使壳程形成一个螺旋形的通道，从而迫使流体以螺旋状流过壳程通道，相应得到比较高的传热系数，同时并不会产生太大的压力损失。

        理想化的螺旋折流板其板面呈自然螺旋状的曲面，其几何规律与螺旋线相同。而螺旋折流板就是采用一个螺旋面来固定管柬，强迫壳程流体呈螺旋形流过壳体。在螺旋折流板结构中，已有的研究表明，不同的螺旋角其传热和阻力性能各不相同，但总的来说，螺旋折流板的压降远小于弓形折流结构，传热性能与弓形相当或略有降低，综合传热性能要优于弓形折流板 。

        在普通的管壳式换热器中，壳体的长径比一般取6～10。采用螺旋角40。的螺旋折流板仅能布置3个半螺距的螺旋折流板，而在普通单弓形折流板换热器中，一般折流板的数目远多于此。这样，在螺旋折流板结构中，一方面由于流道太短，还不能保证流体已经充分发展为螺旋流动时就已经流出。另一方面，这种结构的压降非常小，不能充分利用用户所能提供的压头【6】。为了进一步提高螺旋折流板的性能，提供更广泛的使用可能，需要对螺旋折流板的结构进行进一步的改进。

        一方面可以采用更小的螺旋角，这样做虽然会使换热的综合性能降低，但是可以在充分利用用户所允许的压降的条件下增大换热效果，从而既能满足使用要求又能尽可能的获得比较好的传热性能。另一方面考虑使用双螺旋结构，在同样长度内布置更多的折流板。

        2 螺旋折流板双螺旋结构

        为了使螺旋折流板能够用于实际生产，一般可以用平面板子的拼接来实现螺旋折流板。即一个螺距内的螺旋折流板通常采用四块首尾相接的平面板组成，每一块板子为外周椭圆形的扇形板(图1)。为了实现布置更多的折流板，通常采用搭接结构。所谓搭接结构，是指相邻的两块折流板的接触点互相重叠一定高度，流动截面积相应减小，这样在同样长度的壳体内就可以布置更多的折流板。搭接距离可以根据实际使用条件确定，搭接距离越大，壳程传热效果增强同时压降也会随之提高。在搭接结构中进一步增加搭接距离，当搭接距离为螺距的一半时，原来相邻的两块折流板相对放置，而原来相间的折流板反而连续在一起，形成所谓的双螺旋结构(图2)，为了区分，今将普通的连续结构称为单螺旋结构(图3)。

                            

                  

                      

        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。

        3 试验研究

        3．1 试验流程

        试验流程如图4所示。

        3．2 试验件参数

        试验件结构：管壳式换热器：壳侧／管内流体：重柴油／水；水／水；壳侧内径：250mm；管子规格：Φ19mm×2mm光滑管：管长：2470mm；管子数：44；管子材料：碳钢。

        3．3 折流板结构

        试验采用螺旋角为18。的螺旋折流板。试验件一：螺旋折流板单螺旋结构：(图3)试验件二：螺旋折流板双螺旋结构：(图2)两个试件都采用如图1所示外周椭圆形的扇形板拼接而成。按照螺旋角计算扇形板倾角，制作模具保持扇形板倾角分批打孔，折流板的拼接与装配同时交替进行。

               

        4 结果分析

        4．1 阻力性能比较

        将试验结果以壳程压力损失对壳程Re作图，比较不同结构对换热器阻力性能的影响。图5和图6分别表示以水和重柴油作为壳程介质时所得实验结果。

                

                

        由图中可以看出，在相同的尺e时，两种结构的阻力性能变化较小，双螺旋结构的壳程阻力稍大于单螺旋结构。以粘度较小的水为介质时，阻力增大了3％一19．5％，平均增大了9．9％。以粘度较大的重柴油为介质时，阻力增大了3％一8％，平均增大了6．15％。

        4．2 传热性能比较

        将试验结果以壳程的Nu对尺e作图，比较不同结构对换热器换热性能的影响。图7和图8分别表示以水和重柴油作为壳程介质时所得实验结果。

                       

                       

        从图中可以看出，对于螺旋折流板来说，双螺旋结构的^ 值都大于单螺旋结构。在相同的壳程Re时，双螺旋折流板的Nu要大于单螺旋折流板，平均增大了14．12％和1 1．72％。

        4．3 综合性能比较

        将试验结果以单位压降的Nu对RP作图，比较不同布管方式对换热器性能的影响。图9和图1O分别表示以水和重柴油作为壳程介质时所得实验结果。

                     

                     

        从图中可以看出，对于螺旋折流板来说，采用双螺旋结构可以改进其单位压降的传热性能。同时在试验件加工中，两种试件采用相同的加工工艺与装配方法，相对于换热器的重量而言试件重量增加可以忽略，同时装配时间增加也很小。而双螺旋结构可以更好的固定换热管束，防止管束的震动。因此采用双螺旋结构可以在生产成本增加很小的情况下提高其单位压降的传热性能。

        5 结 论

        (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。