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控制和减小换热器壳体与折流板间隙，提高换热效率
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折流板漏流对换热器性能影响的模拟研究
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3秒自动关闭窗口不同折流板换热器的传热与流阻性能对比
专业生产：换热器;分水器;过水热;冷却器
管式换热器
换热器选型
不同折流板换热器的传热与流阻性能对比
点击：42 日期：[
22:48:44 ]
孙成家,杨　军,陈保东(辽宁石油化工大学机械学院,辽宁　抚顺　113001)
&&&&热设备在化工过程中起着至关重要的作用,其投资费用一般占全部投资费用的40%左右。传统的管单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,高效换热器的研究越来越得到重视。螺旋折流板换热器就是最近出现的一种高效传热的换热器。螺旋折流板换热器突破了壳程介质流横向垂直和管子相切的传统观念,流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即ｐｌｕｇ流),不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧传热膜系数〔1〕。ＰＳｔｅｈｌｉｋ等〔2〕对螺旋折流板换热器进行研究得出,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比换热器的传热系数提高1.8倍,流动阻力降低25%陈世醒等〔3〕研究发现,对于水这样的低黏度流体,相同流量单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的2.4倍;对于高黏度油品,相同流量下单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的1.5倍,研究表明螺旋折流板换热器不仅适用于低黏度流体,也可用于高黏度流体。总之,螺旋折流板换热器具有传热效果好、流动压降小、不易结垢、流动诱导振动小等优点〔4〕。
本实验所采用的螺旋折流板换热器是由若干块四分之一壳体横截面的扇形折流板呈螺旋状自进口向出口处推进,这样介质在整个壳体中连续,平稳,旋转着流动,避免了大角度折返带来的严重压力损失,减少了能耗。同时由于折流板螺旋分布使壳体介质产生旋涡,从圆心到半径方向存在较大速度梯度,这个梯度场有效的在管子表面产生湍流,使边界层减薄,提高膜传热系数。本文以螺旋角为12°为例,研究螺旋折流板换热器与弓型折流板换热器的传热与流阻性能,为螺旋折流板换热器的工业应用及与其他新型强化传热管的结合使用提供参考。
2　实验装置与流程
&&&&&为了研究螺旋折流板换热器的传热与流阻性能,本文采用的实验整体装置与流程如图1所示,实验系统由两部分组成,第1部分为热柴油(热水)回路,热柴油(热水)经过储油(水)罐(2,3)离心泵(8)转子流量计(6)后进入换热器(1),冷却后回到储油(水)罐;第2部分为冷却水供应系统,由储水罐(4)水泵组成,通过阀门(5)调节冷却水的流量。在柴油以及冷却水的进出口分别设置测温点,安装铜—康铜热电偶,用微伏级电子毫伏计测量进出口温度;柴油和冷却水的流量分别用转子流量计测量;根据压力表(7)的读数可以分别得到工质在换热器的壳程内流动的总压降。
&&&&&换热器为单壳程、双管程,螺旋折流板为单头螺旋。其结构示意图如图2。
3　数据处理方法
&&&&&改变柴油(热水)工质的流量,记录不同流量下柴油(热水)和冷却水的进出口温度及流量以及换热器壳侧进出口压力表的读数。
3.1　计算壳侧传热膜系数
&&&&&修正威尔逊法要求的已知条件或限定条件少,比较适合管壳的传热试验数据处理〔5〕。本文在得到换热器的总传热系数后采用修正威尔逊分离法来计算换热器的管内外传热膜系数。若热平衡时吸热量和放热量相差在±10%内,认为实验数据可靠,予以采用。
3.2　计算壳侧流体流动的阻力
&&&&&对螺旋折流板换热器壳侧流体进行流路分析,可以得到
先取η=1作为初值,流速为全流。
由式(1)、式(2)有Δｐ0=(Ｌ/Ｂ)Ｄρｕ2ｍ/2(6)
据此全流速时的Ｄ值。将Ｄ值代入式(5)得一新的η′值,将η′与η比较,若相对误差小于给定精度,则认为此η值为所求,否则
Ａ———管程流通总面积,ｍ2;
上角标—迭代后的新值,下角标—管外。
将ｕ′ｍ及对应的Δｐ0值再次代入式(6),反复迭代,直至得到满足精度要求的η值,最后阻力系数可由式(3)求出。4　实验结果与分析在4ｍ3/ｈ≤Ｗ0≤19ｍ3/ｈ试验条件下两种换热器的壳侧传热膜系数随流量(Ｗ0)的变化曲线以及壳侧流体流动的阻力系数随流量(Ｗ0)变化的曲线,分别如图3,图4,图5,和图6所示。
从图4和图5可以看出,随着流量的增大,由于湍流度增强,换热器的壳程传热膜系数有所提高;而在相同流量下,螺旋折流板壳程传热膜系数比弓型折流板的高33%～136%,且随Ｗ0的增大,传热膜系数比换热器提高的幅度也增大。这是由于螺旋折流板壳程的特殊结构,柴油(水)在壳侧螺旋通道内流动时,柴油(水)与管壁的剪切运动可以造成边界层不断分离,减薄边界层,从而减少传热热阻,达到强化传热的效果;流量越大,强化传热效果越好,因此螺旋折流板换热器在较大流量下更能发挥其强化传热的优势。
从图3和图6可以看出,随着流量的增大,柴油(水)在螺旋折流板换热器和弓型折流板换热器的阻力系数有所减少,在相同的流量下,由于流体在螺旋折流板换热器螺旋通道内形成射流(即Ｐｌｕｇ流),柴油(水)在螺旋折流板换热器的阻力系数要比弓型折流板换热器低15%～35%。5　结论以柴油(水)为工质,流量在4ｍ3/ｈ≤Ｗ0≤19ｍ3/ｈ范围内,螺旋折流板换热器的壳侧传热膜系数要比弓型折流板换热器提高33%～136%,随着流量的增加,提高的幅度更大,具有较好的强化传热效果;壳侧流体流动的阻力系数在试验条件范围内比弓型折流板换热器降低15%～35%。螺旋折流板换热器具有优良的传热与流阻性能,应用于石油、化工等领域有广阔的前景。
〔1〕赵晓曦,邓先和,陆恩锡.螺旋折流板菱形的传热与流阻性能〔Ｊ〕.化工学报,):388-391&
〔2〕ＳｔｅｈｌｉｋＰ,ＮｅｍｃａｎｓｋｙＪ,ＫｒａｌＤ,ＳｗａｎｓｏｎＬ.Ｗ.
Ｃｏｍ&ｐａｒｅｓｉｏｎｏｆＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＦａｃｔｏｒｓｏｆＳｈｅｌｌ
-ａｎｄ-ＴｕｂｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈＳｅｇｍｅｎｔａｌｏｒＨ
ｅｌｉｃａｌＢａｆｆｌｅｓ〔Ｊ〕.ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉ
ｎｇ,):55-65&
〔3〕陈世醒,张克铮,张强.螺旋折流板换热器的实验研究(Ⅰ,Ⅱ)〔Ｊ〕.抚顺石油学院学报,):31-38&
〔4〕王素华,王树立,赵志勇.螺旋折流板流动特性的研究〔Ｊ〕.石油化工高等学校学报,):64-67&
〔5〕欧阳新萍,黄海英,陶乐仁.威尔逊法在管壳式换热器测试中的应用〔Ｊ〕.工业锅炉,-26&
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折流板结构对管壳式换热器壳程流动与传热的影响
日09:19 生意宝
生意宝09月26日讯 &
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&折流板结构对管壳式换热器壳程流动与传热的影响
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&胡岩&&&孙中宁
&&&&&&&&&（哈尔滨工程大学核科学与技术学院&&黑龙江哈尔滨１５０００１）
&&&&摘要：利用Ｆｌｕｅｎｔ软件，对弓形折流板换热器和连续螺旋折流板换热器壳程的流场、流动阻力和换热进行了数值模拟分析，并对计算结果进行了实验验证．结果表明，弓形折流板换热器壳程存在明显的流动滞流区，螺旋折流板换热器中的流场分布则比较均匀．在相同的流量条件下，螺旋折流板换热器壳程的流动压降大约只有弓形折流板换热器的３２％，换热能力则略低于弓形折流板换热器，但单位压降下的换热系数有很大的提高，大约是弓形折流板换热器的１．３倍．数值计算结果与实验值符合良好，说明采用的数学模型是合理的，较真实地反映了换热器的实际情况．
&&&&关键词：弓形折流板换热器；螺旋折流板换热器；数值模拟
&&&&中图分类号：ＴＫ１２４　　　文献标识码：Ａ
&&&&传统的弓形折流板管壳式换热器具有结构简单、适用性广、制造成本低等优点，在石油、化工等众多领域得到广泛应用．这种换热器的主要缺点是换热效率较低，壳程压力损失较大，存在流动死区，容易结垢等．针对这些缺点，近年来人们进行了许多研究和改进，其中比较有代表性的是螺旋折流板换热器的研制［１］，这种换热器通过改变折流板的支撑方式或将支撑板制成螺旋面，使壳程流体呈现螺旋状流动．
&&&&由于管壳式换热器的应用领域日益广泛，其自身结构也日趋多样化，因此，传统的实验手段和理论分析方法已经很难满足研究和开发的需要［２］．与此同时，随着计算机硬件技术的不断进步和先进数值算法的发展，计算流体力学（ＣＦＤ）和计算传热学（ＮＨＴ）得到了迅速发展，并得到广泛应用．和实验研究相比，利用ＣＦＤ／ＮＨＴ方法进行换热器研究具有费用低、速度快、能模拟较复杂过程等优点，而且可以比较容易地分析不同参数对换热器性能的影响，进而获得相关变量的详细信息［３］．
&&&&文中利用商用ＣＦＤ软件ｆｌｕｅｎｔ，对弓形折流板换热器和连续螺旋折流板换热器壳程的流动与传热进行了数值模拟，并与实验结果进行对比，以验证数值模拟方法的可行性和有效性．
&&&&１　数值计算的相关设置
&&&&１．１　换热器结构参数
&&&所研究的换热器包括３种弓形折流板换热器和４种螺旋折流板换热器，结构如图１、２所示．这些换热器具有相同的外形尺寸，其中壳体内径１４８ｍｍ，长度１４００ｍｍ；进、出口接管长度１００ｍｍ，内径８０ｍｍ；折流板厚度３ｍｍ；换热管为φ１６×１ｍｍ的Ｂ３０铜镍合金管，采用三角型排列．其他结构参数如表１所示．
&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&１．２　模型的建立及网格划分
&&&&弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器都是内部有相互交错的三维复杂几何体，因此采用分块划分的方法将壳程区域进行分割，然后分别对分割后的子块进行非结构化网格划分，这里采用的是四面体和金字塔网格，如图３所示．另外，在对换热器进行结构模拟建模时，考虑了换热器入口和出口部分对于换热器整体流动特性的影响．
&&&&１．３　计算求解设置
&&&&使用分离式求解器进行稳态隐式格式求解，速度和压力的耦合方式采用基于交错网格的ＳＩＭＰＬＥ算法，对近壁区域采用标准壁面函数法处理．对于弓形折流板选用标准ｋ?ε湍流模型，对于螺旋折流板选用可实现的ｋ?ε（ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ?εｍｏｄｅｌ）湍流模型．后者与前者相比，可实现的ｋ?ε湍流模型中湍流粘度计算公式引入了与旋转和曲率有关的内容［４－５］．以水为工作介质，且冷水走管程，热水走壳程．假设入口来流的速度均匀分布，忽略温度对物性参数的影响，使用速度入口和压力出口边界，给定静压和适当的回流条件；壳体壁面和折流板采用不可渗透、无滑移绝热边界．对于弓形折流板换热器选用一阶迎风格式，对于螺旋折流板换热器选用二阶迎风格式．
&&&&２　换热器壳程流动特性
&&&&２．１　壳程流场分布
&&&&对弓形折流板换热器Ｇ１和螺旋折流板换热器Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３的壳程流动进行数值模拟，入口给水流量范围：７～１６ｍ３／ｈ．
&&&&图４为弓形折流板换热器内壳程流场典型纵剖速度分布图．可以看出，流体的轴向流动由于受到折流板的阻挡而呈现整体的“Ｚ”型流动，流体流经折流板时流速发生剧烈变化，其中在流通截面突变的圆缺处形成高速流动区，而在折流板背面则形成回流滞流区．流体的这种流动特征一方面会造成较大的流动阻力损失，同时也使换热效率降低．
&&&&与之相对应，螺旋折流板换热器壳程的流场分布表现出很大的不同（如图５所示）：在螺旋折流板的导流作用下，壳程流体整体呈螺旋柱塞状流动，流动速度变化均匀，在折流板附近几乎不存在流动死区．
&&&&进一步对比分析弓形折流板和螺旋折流板换热器横截面上的速度分布．在靠近第一块弓形折流板下游（ｚ＝４００ｍｍ）及螺旋折流板换热器相应位置截取流场分布图，如图６、７所示．可以看出，弓形折流板换热器在折流板缺口位置上的流体流速大大高于其他各处，在折流板与换热器壳体相切的附近区域内存在明显的周向对称环流，而在管束中部区域存在较大范围的滞流区．
&&&&与弓形折流板换热器相比，螺旋折流板换热器壳程的流场分布要均匀得多，在管束外围存在比较强烈的环周向流动，在每根换热管周围也都存在小范围的近似环流，没有明显的滞流区．)
&&&&２．２　壳程流动压降
&&&&壳程流体流动压降直接影响到动力消耗，是反映换热器性能的重要指标之一．图８为进口流量相同时，螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器壳程进出口总压降的比较，其中Ｇ１的折流板间距与Ｌ２的折流板螺距相同．从图中可以看出，弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的进出口压降均随流量的增加而呈递增趋势，其中弓形折流板换热器的壳程进出口压降大大高于螺旋折流板换热器，在相同隔板节距／螺距条件下，螺旋折流板换热器的进出口压降仅为弓形折流板换热器的３２％左右．这主要是由于在弓形折流板换热器中，折流板垂直于主流方向布置，流体在壳程运动时冲击折流板后改变流向，形成很大的速度梯度，同时由于流通截面积的突变，在折流板缺口处形成流体流动速度突变，并且在折流板背面形成回流区，这些都造成很大的局部阻力损失．与之相比，在螺旋折流板换热器中，螺旋折流板的导流作用使壳程流体整体呈螺旋状流动，折流板附近无明显的流动死区，流动速度变化比较平缓，折流板对流体流动的阻挡作用减弱，流体对管束的横向冲刷作用降低，这些都是流动阻力降低的重要原因．
&&&&３　换热器壳程换热特性分析
&&&&对具有相同隔板间距／螺距的弓形折流板换热器Ｇ３和螺旋折流板换热器Ｌ４的壳程换热进行数值模拟，得到２个换热器的壳程流体出口温度，如图９所示．可以看出，在相同的管侧冷却水换热条件下，弓形折流板换热器壳程的出口水温比螺旋折流板换热器的略低，即弓形折流板换热器的换热量略高于螺旋折流板换热器．这说明，尽管由于弓形折流板的存在使换热器壳程存在明显的滞流区，但强烈的流体横向冲刷仍使弓形折流板换热器壳程的换热系数略高于螺旋折流板换热器，同时也伴随着显著的压降增加（如图８中Ｇ１的流动压降最大）．综合考虑换热和流动压降２方面的因素，用换热器壳程的换热系数α与流动压降ΔＰ之比α／ΔＰ进行换热器的性能评价，结果如图１０所示．可以看到，螺旋折流板换热器壳程单位流动压降下的换热系数大约是弓形折流板换热器的１．３倍，这说明采用螺旋折流板后换热器的综合性能得到显著提高．
&&&&&４　实验验证
&&&&&为了进一步验证数值计算的准确性，对螺旋折流板换热器Ｌ４分别进行了流动阻力和传热实验，实验值与计算值的对比如图１１所示．由图中可以看到，在实验范围内，换热器壳程进出口间的流动压降实验值与计算值之间的偏差在－２．４５％～６．８％，壳程流体出口温度实验值与计算之间的偏差在０?０６％～３．４％．考虑到实验换热器与计算模型间必然存在的差异以及实验误差的存在，可以认为数值计算较真实地反映了换热器的实际情况．
&&&&５　结　论
&&&&１）在弓形折流板换热器中，壳程流体流动属于返混流，呈整体的“Ｚ”型流动，在折流板圆缺处形成高速流动区，在折流板背面形成流动死区．而在螺旋折流板换热器中，由于折流板的导流作用，壳程流体整体呈螺旋柱塞状流动，这种流动使流速变化均匀，可以有效消除折流板附近的流动死区，对减小壳程流动阻力损失有利．
&&&&２）在相同的流量条件下，螺旋折流板换热器壳程的流动压降大大低于弓形折流板换热器的壳程压降，而换热系数则略有下降，但单位压降下的换热系数显著增加，大约是弓形折流板换热器的１．３倍，说明螺旋折流板换热器的综合换热性能优于弓形折流板换热器．
&&&&３）通过对螺旋折流板换热器壳程流动压降和出口流体温度实测值与计算值的比较表明，数值计算中采用的标准ｋε和Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型是合理的，可以较好地模拟管壳式换热器壳程的真实流动与传热状况，所得结果符合工程计算的要求．&&
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