軸向分隔螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)和傳熱性能研究.pdf

1、螺旋折流板換熱器由于具有傳熱效率高、流動(dòng)阻力低、抗振效果好、不易結(jié)垢和無流動(dòng)死區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力替代弓形折流板換熱器的結(jié)構(gòu)。但實(shí)際生產(chǎn)中螺旋折流板的加工需要使用模具。根據(jù)不同用戶要求設(shè)計(jì)螺旋折流板換熱器時(shí)，每設(shè)計(jì)一個(gè)規(guī)格的螺旋折流板換熱器就需要生產(chǎn)一套模具，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本增大，準(zhǔn)備時(shí)間延長(zhǎng)。為解決這個(gè)問題，本文提出并研究了一種名為軸向分隔的折流板連接方式用于傾斜角系列化方案。軸向分隔是一種全新的折流板連接方式，用小傾斜角的折流板

2、配合傾斜墊圈（或折耳）及定距套管來固定折流板并形成較大的螺旋導(dǎo)程。一方面，該結(jié)構(gòu)可在充分利用允許壓降的基礎(chǔ)上形成合適的流通截面，實(shí)現(xiàn)折流板傾斜角的系列化，以減少折流板的加工模具和傾斜墊圈的種類，降低生產(chǎn)成本;另一方面，傾斜墊圈可將折流板拉桿孔兩側(cè)表面補(bǔ)正為垂直于管束的平面，使螺旋折流板換熱器的加工、裝配更緊湊更簡(jiǎn)單。此外，軸向分隔仍保留周向重疊結(jié)構(gòu)，在抑制漏流的同時(shí)，還能用一根拉桿同時(shí)緊固相鄰兩組折流板，使拉桿數(shù)目減小。有利于促進(jìn)螺旋折

3、流板熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和應(yīng)用推廣。
　　對(duì)于大中型螺旋折流板換熱器，本文在三分周向重疊螺旋折流板換熱器的基礎(chǔ)上新提出六分周向重疊螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)。將殼體包含的圓柱體分成六等分，每個(gè)螺旋周期由六塊扇形折流板組成，同時(shí)每塊折流板也各向兩側(cè)拓寬到管排間隙中，以使相鄰螺旋折流板的周向重疊部分包含一排管子。與三分螺旋折流板相比，六分螺旋折流板也適用于更為緊湊的正三角形排列布管方式。由于其半徑與弦長(zhǎng)相當(dāng)，最高和最低管排的差值更小，制造難度更低

4、。此外，每個(gè)螺旋周期內(nèi)折流板數(shù)目的增多，使得相鄰折流板間的三角漏流區(qū)顯著減小，再配合周向重疊的搭接方式，可有效緩解大中型換熱器中漏流嚴(yán)重的問題。
　　首先，本文以殼體內(nèi)徑為125mm、折流板傾斜角為15°～22°的三分周向重疊螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象，建立了普通搭接方式與軸向分隔搭接方式下的物理與數(shù)學(xué)模型，并借助數(shù)值模擬分析及切片可視化處理等手段，重點(diǎn)分析了殼側(cè)換熱系數(shù)、殼側(cè)壓降、殼側(cè)綜合指標(biāo)及殼側(cè)壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)分布等主要性能特

5、征，揭示了軸向分隔搭接方式對(duì)三分周向重疊螺旋折流板換熱器殼側(cè)性能的影響。給出了殼側(cè)子午切片、橫切片、螺旋切片與同心正六邊形切片上的壓力或速度云圖疊加速度矢量圖。發(fā)現(xiàn)軸向分隔搭接方式下，相鄰折流板間三角漏流區(qū)略有增加，削弱了二次流的形成，導(dǎo)致殼側(cè)換熱系數(shù)降低、殼側(cè)壓降升高和殼側(cè)綜合指標(biāo)下降;折流板等效傾斜角與實(shí)際傾斜角的差值越大，性能偏差越明顯。數(shù)值模擬結(jié)果表明，若分別取殼側(cè)換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降的工程允許誤差范圍為-3％和+5％，則配合使用

6、軸向分隔搭接方式可使三分螺旋折流板傾斜角系列化的步長(zhǎng)由普通搭接方式下的2°拓展為8°，范圍明顯拓寬，說明軸向分隔搭接方式是實(shí)現(xiàn)折流板傾斜角系列化的有效手段。
　　其次，為揭示六分周向重疊螺旋折流板結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，本文還以殼體內(nèi)徑為150mm、折流板傾斜角為15°～30°的六分周向重疊螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)比分析了六分螺旋折流板方案、三分螺旋折流板方案與傳統(tǒng)弓形折流板方案下?lián)Q熱器的殼側(cè)流動(dòng)與傳熱性能，進(jìn)行了

7、大傾斜角雙頭螺旋與單頭螺旋結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器性能的對(duì)比研究;分別從等導(dǎo)程與等傾斜角兩個(gè)方面進(jìn)行了模擬與比較。結(jié)果表明，六分方案的殼側(cè)綜合性能略高于三分方案，且明顯優(yōu)于弓形方案，其與三分方案一樣，也具有高效、低阻、抗振、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。且在本文的研究范圍內(nèi)，尋找出的最佳六分螺旋傾斜角為25°。而雙頭螺旋結(jié)構(gòu)雖然能使殼側(cè)換熱系數(shù)提高，但殼側(cè)壓降也明顯升高，使得在本文研究范圍內(nèi)雙頭螺旋方案的殼側(cè)綜合性能表現(xiàn)略低于單頭螺旋方案。對(duì)比分析六分方案、同導(dǎo)

8、程三分方案和同傾斜角三分方案發(fā)現(xiàn)，六分螺旋方案的相鄰折流板間三角漏流區(qū)最小，因而性能表現(xiàn)更優(yōu)。
　　第三，將軸向分隔搭接方式應(yīng)用于六分結(jié)構(gòu)，以殼徑為150mm、折流板傾斜角為15°～26°的普通與軸向分隔六分周向重疊螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象進(jìn)行模擬與分析，對(duì)比研究了兩種結(jié)構(gòu)下殼側(cè)流動(dòng)和換熱特性與殼側(cè)流場(chǎng)的異同點(diǎn)。可視化處理結(jié)果表明，軸向分隔搭接方式對(duì)六分方案殼側(cè)流場(chǎng)的影響與三分方案類似，也會(huì)使殼側(cè)性能下降。而數(shù)值模擬結(jié)果表明，在