陳世醒,張振華
（遼寧石油化工大學(xué)傳熱技術(shù)研發(fā)中心,遼寧撫順113001）
在石油、化工、動(dòng)力、冶金、能源等工業(yè)部門中常常涉及諸多的傳熱問題,列管式換熱器是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用zui廣泛的傳熱設(shè)備。與其它類型的換熱器相比,其主要優(yōu)點(diǎn)是單位體積所具有的傳熱面積大及傳熱效果好。加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造所需的材料范圍廣、操作彈性較大等,因此在化學(xué)工程領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    為了加大殼程流體的速度,使湍動(dòng)程度加劇以提高殼程傳熱膜系數(shù),通常要在列管式換熱器的殼程安裝折流板,zui常見的是圓缺形擋板。流體在裝有圓缺形擋板的殼體內(nèi)曲折流動(dòng)時(shí),方向和速度不斷改變,特別在折流板邊緣處易產(chǎn)生流體分離。由于在弓形板與殼體間存在著流動(dòng)死區(qū),流體在折流板中反復(fù)地叉流運(yùn)動(dòng),降低了傳熱推動(dòng)力（Δｔｍ）,若想獲得較高的傳熱性能,只有減小弓形板的間距,這必然會(huì)伴隨著較高的流動(dòng)阻力,以較高的能耗為代價(jià)。因而迫切需要改變這種傳統(tǒng)的折流板形式。螺旋折流板換熱器由于其*的優(yōu)點(diǎn)而成為理想的替代產(chǎn)品。
 
    螺旋折流板換熱器如圖1所示,主體由殼體、管板、折流板、阻流板、支持板、定距管組成,連續(xù)螺旋狀的準(zhǔn)扇形板及其支持的換熱管束構(gòu)成擬螺旋流動(dòng)系統(tǒng)。流體在殼體內(nèi)平穩(wěn)螺旋流動(dòng),降低了常規(guī)弓形折流板橫向折流時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失。由于介質(zhì)呈螺旋式流動(dòng),在徑向產(chǎn)生速度梯度,形成徑向湍流,*改變了弓形折流板換熱器的流體流動(dòng)方式和流場(chǎng)分布,減薄了傳熱管表面滯流底層的厚度,提高了傳熱膜系數(shù),消除了弓形板的傳熱死區(qū),使殼程的傳熱狀態(tài)大為改善。此外,螺旋折流板結(jié)構(gòu)可以滿足的工藝條件很寬,設(shè)計(jì)方面具有很大的靈活性,可針對(duì)各種特殊的工藝條件選擇*的螺旋角。螺旋折流板換熱器的面世,引起了國(guó)內(nèi)外傳熱專家的關(guān)注[1-3]。近年來(lái),對(duì)螺旋折流板傳熱性能和流動(dòng)特性的研究更是方興未艾[4-6],張克錚[7-8]等也曾先后對(duì)高、低粘度的流體進(jìn)行了小試和中試。實(shí)驗(yàn)證明:較之傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器無(wú)疑是一次重大變革。但已有的,尚存在有待改進(jìn)的地方:由于折流板與軸成所在的平面垂直,與規(guī)范的螺旋通道存在著差距,對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)的流體存在反壓,流體突然轉(zhuǎn)向會(huì)造成極大的能量損失,特別在螺旋角較大時(shí)更是如此。
 
1　特殊的折流形式
    本研究的核心是用帶有側(cè)傾角α和后傾角β的螺旋折流板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弓形折流板。側(cè)傾角的定義為:螺旋折流板所在平面與其投影平面的夾角。在此基礎(chǔ)上,將螺旋折流板再向流體流動(dòng)方向即軸向后傾某個(gè)角度,該角即定義為后傾角β,見圖2由于螺旋運(yùn)動(dòng)可看作圓周運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)的合成后傾角的存在,進(jìn)一步降低了流體軸向運(yùn)動(dòng)的阻力加之圓周運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心運(yùn)動(dòng)以及流體流經(jīng)傳熱管所產(chǎn)生的“渦街”效應(yīng),在降低流動(dòng)阻力的同時(shí)改善了換熱器的性能。這種特殊的折流形式,使單位壓降的傳熱系數(shù)得到zui大幅度的提高,換熱器處于運(yùn)行狀態(tài)。
 2　改進(jìn)后的
2.1　新型的特征
    此種新型的其特征是:折流板為帶有側(cè)傾角α和后傾角β的準(zhǔn)扇形板。按圓心角θ將圓周做Ｓ等分（Ｓ為不等于1的自然數(shù)）,一個(gè)螺距的螺旋折流板由Ｓ塊準(zhǔn)扇形板頂角搭接而
2　改進(jìn)后的
2.1　新型的特征
    此種新型的其特征是:折流板為帶有側(cè)傾角α和后傾角β的準(zhǔn)扇形板。按圓心角θ將圓周做Ｓ等分（Ｓ為不等于1的自然數(shù)）,一個(gè)螺距的螺旋折流板由Ｓ塊準(zhǔn)扇形板頂角搭接而成,每?jī)蓧K準(zhǔn)扇形板之間輔以1塊三角形阻流板,α和β同為螺旋折流板的特性參數(shù):0°≤α≤45°,0°≤β≤45°。
2.2　螺距尺寸與阻流板形狀
    在新型的中,α和β的大小可直接影響螺距的尺寸,其本質(zhì)是影響流體流動(dòng)阻力和傳熱性能。設(shè)Ｄ為管束外徑,通常情況下,螺距Ｈｓ=ＳＤ（ｔａｎα+ｔａｎβ）/2,阻流板形狀為等腰三角形,其高為Ｄ/2,底邊為Ｈｓ/Ｓ;特殊地,當(dāng)α=0時(shí),Ｈｓ=ＳＤ（ｔａｎα）/2,阻流板為直角三角形。
2.3　橢圓形板長(zhǎng)、短半軸
    在上述的中,作為改進(jìn)后的準(zhǔn)扇形板實(shí)為Ｓ分之一橢圓形板。設(shè)ａ為橢圓的長(zhǎng)半軸,ｂ為橢圓的短半軸,下式給出了ａ、ｂ與側(cè)傾角α、后傾角β及管束外徑Ｄ之間的關(guān)系:ａ=Ｄ/（2ｃｏｓα）,ｂ=Ｄ/（2ｃｏｓβ）
2.4　側(cè)傾角與螺旋角的關(guān)系
    改進(jìn)后的,其優(yōu)勢(shì)還在于:側(cè)傾角α有別于傳統(tǒng)意義上的螺旋角φ,定義此角有助于簡(jiǎn)潔、直觀地提出工藝設(shè)計(jì)的要求,便于實(shí)際操作,側(cè)傾角與螺旋角的關(guān)系可由下式給出:α=ａｒｃｔａｎ（π/2ｔａｎφ）,φ=ａｒｃｔａｎ（2/πｔａｎα）
2.5　折流板的加工與組裝
    側(cè)傾角α和后傾角β確定之后,螺旋折流板可通過胎具一次加工而成。若干塊折流板可同時(shí)進(jìn)行鉆孔。組裝也不成問題,以Ｓ=4為例:將第1塊準(zhǔn)扇形板（1/4橢圓形板）通過定距管固定位置后,在圓心角旋轉(zhuǎn)90°的方向上與第2塊板頂角搭接,第2塊板仍維護(hù)α和β的角度;接下來(lái)在圓心角再旋轉(zhuǎn)90°的方向上搭接第3塊板,第4塊板亦如此,依此類推。側(cè)傾角α和螺旋角φ可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺距的雙重調(diào)節(jié),這是本研究的一個(gè)重要特征。為了保證螺距的合理性,二者之和應(yīng)不大于60°,即α+β≤60°。α和β同時(shí)存在的螺旋折流板較之只存在β的螺旋折流板的加工毫不復(fù)雜,均為一次成型,且α的存在可減少流體軸向運(yùn)動(dòng)的阻力,對(duì)螺旋折流板的結(jié)構(gòu)是一次再優(yōu)化。