陈世醒,张振华(辽宁石油化工大学传热技术研发中心,辽宁抚顺113001)
在石油、化工、动力、冶金、能源等工业部门中常常涉及诸多的传热问题,列管式换热器是当前工业生产中应用最广泛的传热设备。与其它类型的换热器相比,其主要优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好。加之结构简单、制造所需的材料范围广、操作弹性较大等,因此在化学工程领域中得到越来越广泛的应用。
为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧以提高壳程传热膜系数,通常要在列管式换热器的壳程安装折流板,最常见的是圆缺形挡板。流体在装有圆缺形挡板的壳体内曲折流动时,方向和速度不断改变,特别在折流板边缘处易产生流体分离。由于在弓形板与壳体间存在着流动死区,流体在折流板中反复地叉流运动,降低了传热推动力(Δtm),若想获得较高的传热性能,只有减小弓形板的间距,这必然会伴随着较高的流动阻力,以较高的能耗为代价。因而迫切需要改变这种传统的折流板形式。
螺旋折流板换热器由于其独特的优点而成为理想的替代产品。螺旋折流板换热器如图1所示,主体由壳体、管板、折流板、阻流板、支持板、定距管组成,连续螺旋状的准扇形板及其支持的换热管束构成拟螺旋流动系统。流体在壳体内平稳螺旋流动,降低了常规弓形折流板横向折流时所产生的压力损失。由于介质呈螺旋式流动,在径向产生速度梯度,形成径向湍流,彻底改变了弓形折流板换热器的流体流动方式和流场分布,减薄了传热管表面滞流底层的厚度,提高了传热膜系数,消除了弓形板的传热死区,使壳程的传热状态大为改善。此外,螺旋折流板结构可以满足的工艺条件很宽,设计方面具有很大的灵活性,可针对各种特殊的工艺条件选择最佳的螺旋角。螺旋折流板换热器的面世,引起了国内外传热专家的关注[1-3]。近年来,对螺旋折流板传热性能和流动特性的研究更是方兴未艾[4-6],张克铮[7-8]等也曾先后对高、低粘度的流体进行了小试和中试。实验证明:螺旋折流板换热器较之传统的弓形折流板换热器无疑是一次重大变革。但已有的螺旋折流板换热器,尚存在有待改进的地方:由于折流板与轴成所在的平面垂直,与规范的螺旋通道存在着差距,对轴向运动的流体存在反压,流体突然转向会造成极大的能量损失,特别在螺旋角较大时更是如此。
本研究的核心是用带有侧倾角α和后倾角β的螺旋折流板代替传统的弓形折流板。侧倾角的定义为:螺旋折流板所在平面与其投影平面的夹角。在此基础上,将螺旋折流板再向流体流动方向即轴向后倾某个角度,该角即定义为后倾角β,见图2。由于螺旋运动可看作圆周运动和轴向运动的合成,后倾角的存在,进一步降低了流体轴向运动的阻力,加之圆周运动所产生的离心运动以及流体流经传热管所产生的“涡街”效应,在降低流动阻力的同时改善了换热器的性能。这种特殊的折流形式,使单位压降的传热系数得到最大幅度的提高,换热器处于高效运行状态。2改进后的螺旋折流板换热器2.1新型螺旋折流板换热器的特征
此种新型的螺旋折流板换热器其特征是:折流板为带有侧倾角α和后倾角β的准扇形板。按圆心角θ将圆周做S等分(S为不等于1的自然数),一个螺距的螺旋折流板由S块准扇形板顶角搭接而成,每两块准扇形板之间辅以1块三角形阻流板,α和β同为螺旋折流板的特性参数:0°≤α≤45°,0°≤β≤45°。2.2螺距尺寸与阻流板形状
在新型的螺旋折流板换热器中,α和β的大小可直接影响螺距的尺寸,其本质是影响流体流动阻力和传热性能。设D为管束外径,通常情况下,螺距Hs=SD(tanα+tanβ)/2,阻流板形状为等腰三角形,其高为D/2,底边为Hs/S;特殊地,当α=0时,Hs=SD(tanα)/2,阻流板为直角三角形。2.3椭圆形板长、短半轴
在上述的螺旋折流板换热器中,作为改进后的准扇形板实为S分之一椭圆形板。设a为椭圆的长半轴,b为椭圆的短半轴,下式给出了a、b与侧倾角α、后倾角β及管束外径D之间的关系:a=D/(2cosα),b=D/(2cosβ)2.4侧倾角与螺旋角的关系
改进后的螺旋折流板换热器,其优势还在于:侧倾角α有别于传统意义上的螺旋角φ,定义此角有助于简洁、直观地提出工艺设计的要求,便于实际操作,侧倾角与螺旋角的关系可由下式给出:α=arctan(π2tanφ),φ=arctan(2πtanα) 2.5折流板的加工与组装
侧倾角α和后倾角β确定之后,螺旋折流板可通过专用胎具一次加工而成。若干块折流板可同时进行钻孔。组装也不成问题,以S=4为例:将第1块准扇形板(1/4椭圆形板)通过定距管固定位置后,在圆心角旋转90°的方向上与第2块板顶角搭接,第2块板仍维护α和β的角度;接下来在圆心角再旋转90°的方向上搭接第3块板,第4块板亦如此,依此类推。侧倾角α和螺旋角φ可实现对螺距的双重调节,这是本研究的一个重要特征。为了保证螺距的合理性,二者之和应不大于60°,即α+β≤60°。α和β同时存在的螺旋折流板较之只存在β的螺旋折流板的加工毫不复杂,均为一次成型,且α的存在可减少流体轴向运动的阻力,对螺旋折流板的结构是一次再优化。
