雙螺旋結(jié)構(gòu)螺旋折流板換熱器試驗(yàn)研究

發(fā)布時(shí)間：2010-1-7 瀏覽：3663

      l 前 言

        螺旋折流板換熱器，也可簡稱為螺旋換熱器(Helixchanger)。其基本結(jié)構(gòu)仍為管殼式換熱器，符合GB151-1999或TEMA標(biāo)準(zhǔn) ¨，只是在殼側(cè)折流板的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種新型折流板，使殼程形成一個(gè)螺旋形的通道，從而迫使流體以螺旋狀流過殼程通道，相應(yīng)得到比較高的傳熱系數(shù)，同時(shí)并不會產(chǎn)生太大的壓力損失。

        理想化的螺旋折流板其板面呈自然螺旋狀的曲面，其幾何規(guī)律與螺旋線相同。而螺旋折流板就是采用一個(gè)螺旋面來固定管柬，強(qiáng)迫殼程流體呈螺旋形流過殼體。在螺旋折流板結(jié)構(gòu)中，已有的研究表明，不同的螺旋角其傳熱和阻力性能各不相同，但總的來說，螺旋折流板的壓降遠(yuǎn)小于弓形折流結(jié)構(gòu)，傳熱性能與弓形相當(dāng)或略有降低，綜合傳熱性能要優(yōu)于弓形折流板 。

        在普通的管殼式換熱器中，殼體的長徑比一般取6～10。采用螺旋角40。的螺旋折流板僅能布置3個(gè)半螺距的螺旋折流板，而在普通單弓形折流板換熱器中，一般折流板的數(shù)目遠(yuǎn)多于此。這樣，在螺旋折流板結(jié)構(gòu)中，一方面由于流道太短，還不能保證流體已經(jīng)充分發(fā)展為螺旋流動時(shí)就已經(jīng)流出。另一方面，這種結(jié)構(gòu)的壓降非常小，不能充分利用用戶所能提供的壓頭【6】。為了進(jìn)一步提高螺旋折流板的性能，提供更廣泛的使用可能，需要對螺旋折流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

        一方面可以采用更小的螺旋角，這樣做雖然會使換熱的綜合性能降低，但是可以在充分利用用戶所允許的壓降的條件下增大換熱效果，從而既能滿足使用要求又能盡可能的獲得比較好的傳熱性能。另一方面考慮使用雙螺旋結(jié)構(gòu)，在同樣長度內(nèi)布置更多的折流板。

        2 螺旋折流板雙螺旋結(jié)構(gòu)

        為了使螺旋折流板能夠用于實(shí)際生產(chǎn)，一般可以用平面板子的拼接來實(shí)現(xiàn)螺旋折流板。即一個(gè)螺距內(nèi)的螺旋折流板通常采用四塊首尾相接的平面板組成，每一塊板子為外周橢圓形的扇形板(圖1)。為了實(shí)現(xiàn)布置更多的折流板，通常采用搭接結(jié)構(gòu)。所謂搭接結(jié)構(gòu)，是指相鄰的兩塊折流板的接觸點(diǎn)互相重疊一定高度，流動截面積相應(yīng)減小，這樣在同樣長度的殼體內(nèi)就可以布置更多的折流板。搭接距離可以根據(jù)實(shí)際使用條件確定，搭接距離越大，殼程傳熱效果增強(qiáng)同時(shí)壓降也會隨之提高。在搭接結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步增加搭接距離，當(dāng)搭接距離為螺距的一半時(shí)，原來相鄰的兩塊折流板相對放置，而原來相間的折流板反而連續(xù)在一起，形成所謂的雙螺旋結(jié)構(gòu)(圖2)，為了區(qū)分，今將普通的連續(xù)結(jié)構(gòu)稱為單螺旋結(jié)構(gòu)(圖3)。

                            

                  

                      

        雙螺旋結(jié)構(gòu)中，殼程流道被分割成兩個(gè)相互獨(dú)立的相似的螺旋形通道，每個(gè)流道的流通截面積只有連續(xù)結(jié)構(gòu)的一半。如果忽略折流板的厚度，則可以認(rèn)為相同流量的殼程流體流過雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)與單螺旋結(jié)構(gòu)具有相同的流速，同時(shí)其流場中的傳熱與阻力性能也相同。

        而在實(shí)際使用的平面板拼接而成的螺旋折流板結(jié)構(gòu)中，在兩個(gè)相鄰的折流板之間存在著一定的漏流，即有部分流體從相鄰兩塊扇形板之間的三角形區(qū)域流過，這部分流體沒有參與螺旋形流動。而雙螺旋結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)于在單螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在螺旋流道中間再加入一塊螺旋折流板，可以減少漏流流體的份額。因而可以預(yù)期雙螺旋結(jié)構(gòu)具有比單螺旋結(jié)構(gòu)更好的性能。

        3 試驗(yàn)研究

        3．1 試驗(yàn)流程

        試驗(yàn)流程如圖4所示。

        3．2 試驗(yàn)件參數(shù)

        試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)：管殼式換熱器：殼側(cè)／管內(nèi)流體：重柴油／水；水／水；殼側(cè)內(nèi)徑：250mm；管子規(guī)格：Φ19mm×2mm光滑管：管長：2470mm；管子數(shù)：44；管子材料：碳鋼。

        3．3 折流板結(jié)構(gòu)

        試驗(yàn)采用螺旋角為18。的螺旋折流板。試驗(yàn)件一：螺旋折流板單螺旋結(jié)構(gòu)：(圖3)試驗(yàn)件二：螺旋折流板雙螺旋結(jié)構(gòu)：(圖2)兩個(gè)試件都采用如圖1所示外周橢圓形的扇形板拼接而成。按照螺旋角計(jì)算扇形板傾角，制作模具保持扇形板傾角分批打孔，折流板的拼接與裝配同時(shí)交替進(jìn)行。

               

        4 結(jié)果分析

        4．1 阻力性能比較

        將試驗(yàn)結(jié)果以殼程壓力損失對殼程Re作圖，比較不同結(jié)構(gòu)對換熱器阻力性能的影響。圖5和圖6分別表示以水和重柴油作為殼程介質(zhì)時(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

                

                

        由圖中可以看出，在相同的尺e時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的阻力性能變化較小，雙螺旋結(jié)構(gòu)的殼程阻力稍大于單螺旋結(jié)構(gòu)。以粘度較小的水為介質(zhì)時(shí)，阻力增大了3％一19．5％，平均增大了9．9％。以粘度較大的重柴油為介質(zhì)時(shí)，阻力增大了3％一8％，平均增大了6．15％。

        4．2 傳熱性能比較

        將試驗(yàn)結(jié)果以殼程的Nu對尺e作圖，比較不同結(jié)構(gòu)對換熱器換熱性能的影響。圖7和圖8分別表示以水和重柴油作為殼程介質(zhì)時(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

                       

                       

        從圖中可以看出，對于螺旋折流板來說，雙螺旋結(jié)構(gòu)的^ 值都大于單螺旋結(jié)構(gòu)。在相同的殼程Re時(shí)，雙螺旋折流板的Nu要大于單螺旋折流板，平均增大了14．12％和1 1．72％。

        4．3 綜合性能比較

        將試驗(yàn)結(jié)果以單位壓降的Nu對RP作圖，比較不同布管方式對換熱器性能的影響。圖9和圖1O分別表示以水和重柴油作為殼程介質(zhì)時(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

                     

                     

        從圖中可以看出，對于螺旋折流板來說，采用雙螺旋結(jié)構(gòu)可以改進(jìn)其單位壓降的傳熱性能。同時(shí)在試驗(yàn)件加工中，兩種試件采用相同的加工工藝與裝配方法，相對于換熱器的重量而言試件重量增加可以忽略，同時(shí)裝配時(shí)間增加也很小。而雙螺旋結(jié)構(gòu)可以更好的固定換熱管束，防止管束的震動。因此采用雙螺旋結(jié)構(gòu)可以在生產(chǎn)成本增加很小的情況下提高其單位壓降的傳熱性能。

        5 結(jié) 論

        (1)在螺旋折流板中，可以采用單螺旋與雙螺旋兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，采用雙螺旋結(jié)構(gòu)可以在殼程布置更多的折流板。

        (2)采用雙螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋折流板，可以減少折流板之間的漏流，使流體更好的按照平推流流動，可以提高螺旋折流板的性能。

        (3)試驗(yàn)研究表明，采用雙螺旋結(jié)構(gòu)，與單螺旋結(jié)構(gòu)相比，在相同的殼程JRe時(shí)的壓降與傳熱性能都增大，單位壓降的傳熱性能提高。