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| 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)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 為了加大殼程流體的速度,使湍動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)曲折流動時,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死區(qū),流體在折流板中反復(fù)地叉流運(yùn)動,降低了傳熱推動力（Δｔｍ）,若想獲得較高的傳熱性能,只有減小弓形板的間距,這必然會伴隨著較高的流動阻力,以較高的能耗為代價。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)成擬螺旋流動系統(tǒng)。流體在殼體內(nèi)平穩(wěn)螺旋流動,降低了常規(guī)弓形折流板橫向折流時所產(chǎn)生的壓力損失。由于介質(zhì)呈螺旋式流動,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方式和流場分布,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)計方面具有很大的靈活性,可針對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,引起了國內(nèi)外傳熱專家的關(guān)注[1-3]。近年來,對螺旋折流板傳熱性能和流動特性的研究更是方興未艾[4-6],張克錚[7-8]等也曾先后對高、低粘度的流體進(jìn)行了小試和中試。實驗證明:螺旋折流板換熱器較之傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器無疑是一次重大變革。但已有的螺旋折流板換熱器,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,對軸向運(yùn)動的流體存在反壓,流體突然轉(zhuǎn)向會造成極大的能量損失,特別在螺旋角較大時更是如此。  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方向即軸向后傾某個角度,該角即定義為后傾角β,見圖2由于螺旋運(yùn)動可看作圓周運(yùn)動和軸向運(yùn)動的合成后傾角的存在,進(jìn)一步降低了流體軸向運(yùn)動的阻力加之圓周運(yùn)動所產(chǎn)生的離心運(yùn)動以及流體流經(jīng)傳熱管所產(chǎn)生的“渦街”效應(yīng),在降低流動阻力的同時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)后的螺旋折流板換熱器 2.1 新型螺旋折流板換熱器的特征 此種新型的螺旋折流板換熱器其特征是: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)后的螺旋折流板換熱器 2.1 新型螺旋折流板換熱器的特征 此種新型的螺旋折流板換熱器其特征是: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)）,一個螺距的螺旋折流板由Ｓ塊準(zhǔn)扇形板頂角搭接而成,每兩塊準(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 在新型的螺旋折流板換熱器中,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,Ｈｓ=ＳＤ（ｔａｎα）/2,阻流板為直角三角形。 2.3 橢圓形板長、短半軸 在上述的螺旋折流板換熱器中,作為改進(jìn)后的準(zhǔn)扇形板實為Ｓ分之一橢圓形板。設(shè)ａ為橢圓的長半軸,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)后的螺旋折流板換熱器,其優(yōu)勢還在于:側(cè)傾角α有別于傳統(tǒng)意義上的螺旋角φ,定義此角有助于簡潔、直觀地提出工藝設(shè)計的要求,便于實際操作,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可實現(xiàn)對螺距的雙重調(diào)節(jié),這是本研究的一個重要特征。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)動的阻力,對螺旋折流板的結(jié)構(gòu)是一次再優(yōu)化。 |
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