螺旋隔板換熱器的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

摘要：螺旋隔板換熱器主要包括兩種不同類型的結(jié)構(gòu)形式，即沒有中心管的非整體連續(xù)的螺旋隔板換熱器和有中心管的整體連續(xù)的螺旋隔板換熱器?？偨Y(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對螺旋隔板換熱器所做的主要研究工作，包括殼程流體的動(dòng)力學(xué)研究、傳熱與壓降性能研究和數(shù)值模擬，并介紹了整體連續(xù)型螺旋隔板強(qiáng)化管換熱器在工業(yè)中的應(yīng)用。最后，對螺旋隔板換熱器的下一步研究工作進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞：殼管式換熱器；螺旋隔板；傳熱強(qiáng)化
　　中圖分類號(hào)：ＴＫ１７２    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ  文章編號(hào)：１００９－ ９４９２ （２００８） ０７－ ００５２－ ０２
　　殼管式換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、石化、動(dòng)力、制冷等領(lǐng)域的重要熱能交換設(shè)備。在歐洲，殼管式換熱器占市場份額的 ４２％。目前國內(nèi)殼管式換熱器主要采用弓型隔板作為管間的支撐結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)的換熱器中，流體在殼程呈 “Ｚ”形流動(dòng)，在隔板和殼體內(nèi)壁相連處存在流動(dòng)死區(qū)；流體在隔板間分離引起動(dòng)量的急劇變化而造成壓力的嚴(yán)重?fù)p失；在隔板與殼體和傳熱管與隔板之間存在旁路流和泄漏流，降低了流體的有效質(zhì)量流量，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了殼管式換熱器傳熱系數(shù)低、壓降高。隨著金屬材料價(jià)格的不斷增長和節(jié)能工作低迫切需求，促進(jìn)了高效殼管式換熱器的研究和應(yīng)用。近年來，螺旋隔板換熱器作為一種新型的殼管式換熱器形式，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在工業(yè)中推廣應(yīng)用，取得了很好的節(jié)能、節(jié)材經(jīng)濟(jì)效益。
    １ 螺旋隔板換熱器的結(jié)構(gòu)形式
     從結(jié)構(gòu)上看螺旋隔板換熱器主要包括兩大類：一類是沒有中心管，隔板為非整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu) （圖 １）。這種結(jié)構(gòu)的螺旋隔板換熱器是上世紀(jì) ９０ 年代初由捷克共和國發(fā)明，隨后在 ＡＢＢ 公司進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化 。其設(shè)計(jì)形式是：每個(gè)隔板占據(jù)四分之一的殼體橫截面，并與換熱器的軸向呈一定角度排列，相鄰的隔板在邊緣接觸并在外圍形成連續(xù)的螺旋狀結(jié)構(gòu)，流體在殼程呈螺旋流動(dòng)。另一類是設(shè)有一根中心管，隔板為整體連續(xù)的螺旋結(jié)構(gòu) （圖 ２）。其設(shè)計(jì)形式是隔板圍繞中心管螺旋纏繞，形成一種整體連續(xù)的螺旋隔板結(jié)構(gòu)。
    這種結(jié)構(gòu)形式的螺旋隔板換熱器。從目前的文獻(xiàn)來看，文獻(xiàn)中報(bào)道最多的是沒有中心管的螺旋隔板換熱器。
                 
    ２ 螺旋隔板換熱器的研究現(xiàn)狀
    螺旋隔板換熱器的研究工作主要包括如下幾方面：殼程流體動(dòng)力學(xué)研究、傳熱及壓降性能研究、殼程數(shù)值模擬。
    ２．１ 殼程流體動(dòng)力學(xué)研究
     Ｄ．Ｋｒａｌ 等人采用刺激－ 響應(yīng)技術(shù) （ｓｔｉｍｕｌｕｓ－ ｒｅ－ｓｐｏｎｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）對玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，流體動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，流體在殼程的螺旋流動(dòng)類似于塞狀流 （ｐｌｕｇ ｆｌｏｗ），幾乎沒有返混和流動(dòng)死區(qū)。
     Ｗａｎｇ Ｓｈｕｌｉ 采用激光多普勒測速儀 （ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒａｎｅｍｏｍｅｔｒｙ）對有機(jī)玻璃模型螺旋隔板換熱器的殼程流場
進(jìn)行了測量，研究了螺旋角和流速的大小對速度分布和脈沖速度的影響。結(jié)果表明，隨著螺旋角的減少，線速度和脈沖速度降增大，促進(jìn)了傳熱，但壓降也增大?？傮w來看，最佳的螺旋角與殼程流體的雷諾常數(shù)有關(guān)。
    ２．２ 傳熱與壓降性能研究
     Ｄ．Ｋｒａｌ等人以水－ 水換熱為對象，研究了螺旋角的大小對傳熱性能的影響，螺旋角的變化范圍為 １７°～４４°。結(jié)果表明，在相同的殼程壓降下，螺旋角為 ４０°時(shí)殼程的傳熱系數(shù)最高。作者認(rèn)為，在螺旋角約為 ４０°時(shí)，邊界層流體近乎充分發(fā)展。
    蔡志剛等人以 ５＃ 柴油－ 水換熱為對象，比較了螺旋隔板和弓型隔板換熱器的傳熱與壓降性能，結(jié)果表明，螺旋隔板換熱器的阻力只有弓型隔板換熱器的 ３０％。此外，在相同壓降下，螺旋隔板換熱器的傳熱效率提高了 １０％。
     以上學(xué)者研究的傳熱管均為光滑管，為進(jìn)一步提高螺旋隔板換熱器的傳熱性能，本實(shí)驗(yàn)室先后開展了螺旋隔板與強(qiáng)化管搭配進(jìn)行傳熱強(qiáng)化研究。趙曉曦等人以柴油－水換熱為對象，研究了以菱型翅片管作為強(qiáng)化傳熱管型的螺旋隔板換熱器的傳熱與壓降性能，并與光滑管進(jìn)行了對比，其所采用的隔板為整體連續(xù)的螺旋隔板結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同流速下，螺旋隔板菱型翅片管換熱器的殼
程傳熱系數(shù)比螺旋隔板光滑管換熱器提高了 ５４％～１０８％，而流動(dòng)阻力系數(shù)降低了 ５％～３０％。
     張正國等人以潤滑油－水換熱為對象，比較了螺旋流條件下三維花瓣型翅片管與二維低翅片管的傳熱與壓降性能，所采用的隔板也是整體連續(xù)的螺旋隔板結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的潤滑油體積流量下，螺旋隔板三維花瓣型翅片管換熱器的殼程傳熱系數(shù)比螺旋隔板二維低翅片管換熱器提高了２８％～４８％，而壓降卻降低了３５％～７５％。
     ２．３ 殼程數(shù)值模擬
     Ａｎｄｒｅｗｓ和 Ｍａｓｔｅｒ采用三維計(jì)算流體力學(xué)（ＣＦＤ）方法對 ＡＢＢ 公司制造的螺旋隔板換熱器進(jìn)行了性能分析，研究了螺旋角分別為 １０°、２５°、４０°條件下螺旋隔板換熱器的殼程流動(dòng)與壓降性能。結(jié)果表明，隨著螺旋角的增大，流體更接近于塞狀流，模擬的壓降與 ＡＢＢ公司螺旋隔板換熱器的傳熱關(guān)系式計(jì)算結(jié)果較吻合。
    鄧斌等人采用多孔介質(zhì)、分布阻力模型、階梯逼近技術(shù)對螺旋隔板換熱器殼程的流動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在相同的進(jìn)口內(nèi)徑和進(jìn)口流量條件下，螺旋隔板換熱器的殼側(cè)壓降明顯低于弓型隔板換熱器，計(jì)算所得的進(jìn)出口總壓降與實(shí)驗(yàn)值之間的偏差大部分在 １４％以下。
     張少維等人采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析方法建立了螺旋隔板換熱器的數(shù)學(xué)模型，并利用 ＣＦＤ 分析軟件 Ｆｌｕｅｎｔ模擬換熱器殼程的流動(dòng)特性，得到了換熱器殼程的流場分布，并與弓型隔板換熱器殼程的流動(dòng)特性進(jìn)行了對比。
     李大為等人以水－ 水換熱器為對象，利用 Ｆｌｕｅｎｔ軟件，對螺旋隔板換熱器三維實(shí)體內(nèi)的流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了湍流條件下?lián)Q熱器殼程流體入口的壓降以及不同結(jié)構(gòu)對壓降的影響，并提出了入口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。
    ３ 螺旋隔板換熱器的應(yīng)用
      廣州赫爾普化工公司原異己烷油冷卻器是由兩臺(tái)弓型隔板光滑管換熱器串連使用，在空間位置上重疊布置，總換熱器面積為 ２０ｍ２。每臺(tái)冷卻器的主要參數(shù)為：殼體直徑ＤＮ＝３２５ｍｍ，換熱管為 Φ１９ｍｍ×２．０ｍｍ 的碳鋼光滑管，換熱管長 ３ ０００ｍｍ。當(dāng)異己烷油產(chǎn)能從 ７ ０００ 噸／年擴(kuò)產(chǎn)到１００００ 噸／年時(shí)，冷卻器的熱負(fù)荷為 ２４０ｋＷ。夏季冷卻水進(jìn)口水溫為 ３３℃，殼程進(jìn)口油溫為 １６０℃時(shí)，出口油溫在 ５２℃以上，已不能滿足出口油溫 ４０℃左右進(jìn)入儲(chǔ)罐的工藝要求。
     因此，需對原冷卻器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，用一臺(tái)整體螺旋隔板低翅片管冷卻器取代原二臺(tái)串連冷卻器。該冷卻器的殼體直徑為 ３７７ｍｍ，兩管程結(jié)構(gòu)。低翅片管采用 Φ１９ｍｍ×２．０ｍｍ 的碳鋼光滑管進(jìn)行加工，光管的總換熱面積為１９ｍ２。整體螺旋隔板的結(jié)構(gòu)采用圖 ２ 所示，螺旋隔板的中心管外徑為 １０８ｍｍ，低翅片管的照片見圖 ３。從空間尺寸來看，一臺(tái) ３７７ｍｍ 直徑的冷卻器比兩臺(tái) ３２５ｍｍ 直徑的冷卻器明顯減少。
      該臺(tái)異己烷油冷卻器于 ２００５ 年 ５ 月開始投入運(yùn)行至今，由于產(chǎn)能的擴(kuò)大，熱負(fù)荷值為 ２４０ｋＷ，在此熱負(fù)荷條件下，異己烷油的入口溫度為 １６０℃時(shí)，測得異己烷油的出口溫度為 ４０℃左右，達(dá)到工藝要求。
     通過對改造前后兩臺(tái)油冷卻器的總傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算可知，弓型隔板光滑管冷卻器的總傳熱系數(shù)為 ２５０Ｗ／ｍ·Ｋ，２而螺旋隔板低翅片管冷卻器的總傳熱系數(shù)為 ４１０Ｗ／ｍ２·Ｋ，總傳熱系數(shù)是弓型隔板光滑管油冷卻器的 １．６４ 倍。
                
    ４ 結(jié)語
    通過螺旋隔板換熱器在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，證明其具有高效的傳熱性能。未來的重點(diǎn)應(yīng)是針對不同傳熱介質(zhì)，研究螺旋隔板與不同類型強(qiáng)化管之間的合理搭配，以充分發(fā)揮螺旋流動(dòng)與強(qiáng)化管的協(xié)同強(qiáng)化傳熱效果，進(jìn)一步提高螺旋隔板換熱器的綜合性能。通過實(shí)驗(yàn)及理論研究，并結(jié)合數(shù)值模擬，揭示螺旋隔板強(qiáng)化管換熱器的傳熱強(qiáng)化機(jī)理，獲得傳熱與壓降的關(guān)系式，用以指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計(jì)。