（化工过程机械专业论文）螺旋折流板换热器的研究.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者虢盟亟日期：也! ! ：互： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 储签名：国 导师签名：之辜艺整 日期：丝丝：签：! e l 期：翘口：4 ：2 学位论文数据集l 删 中图分类号t q 0 5 1 5学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 4 5密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名曹日学号 2 0 0 8 0 0 0 6 4 5 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向过程装备与先进控制 论文题目螺旋折流板换热器的的研究 关键词管壳式换热器，螺旋折流板，压力降，传热强化，数值模拟 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师钱才富教授北京化工大学化工过程机械 评阅人1戴凌汉高工北京化工大学化工过程机械 评阅人2范德顺教授北京化工大学化工过程机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员1陈朝晖高工化工过程机械 标准化委员会 答辩委员2 何立东 教授 北京化工大学 化工过程机械 答辩委员3 陈平 副教授 北京化工大学 化工过程机械 答辩委员4戴凌汉高工北京化工大学化工过程机械 答辩委员5范德顺教授北京化工大学化工过程机械 螺旋折流板换热器一种低压降换热器。虽然螺旋折流板换热器在国内 的应用越来越多，但很多工艺计算往往依赖国外公司，主要原因是实验数 据少，不足以归纳出螺旋绕流流动和传热关联式或者验证模拟结果。本论 文针对螺旋折流板换热器，分别采用实验和数值模拟的方法研究其壳程流 体的换热性能和流动阻力，提出螺旋流流动传热膜系数及阻力关联式，丰 富流体流动和传热理论，并为螺旋折流板换热器的工程设计和应用提供参 考。 在实验方面，利用大庆石油机械厂的实验装置，设计了不同螺旋角的 螺旋折流板换热器和普通弓形折流板换热器，进行了不同试验工况下壳程 流体的压力降和传热性能实验。考察了不同螺旋角度和螺距对螺旋折流板 换热器壳程流体换热性能和流动阻力的影响。 在模拟方面，分别对螺旋折流板换热器和普通弓形折流板换热器应用 f l u e n t 软件进行数值模拟，得到了与试验工况相同的壳程压力降和传热 系数。将两种分析方法所得结果对比，压力降和传热系数数值计算误差分 别在1 8 和1 5 之内。应用验证后的数值计算模型，研究了不同螺旋角度 和螺距对壳程流体换热性能和流动阻力的影响。根据数值计算结果，参考 普通弓形折流板换热器的关联式，拟合得到了螺旋折流板换热器壳程压力 降和传热系数关联式。 北京化_ t 人学硕 ：学位论文 考虑到换热器的结构放大效应，基于美国鲁姆斯公司( a b bl u m m u s g l o b a l ) 对螺旋折流板换热器的设计结果对换热器壳程压力降和传热系数 关联式进行了修正，为螺旋折流板换热器的设计和工程应用奠定了一定的 基础。 关键词：管壳式换热器，螺旋折流板，压力降，传热强化，数值模拟 n 第一章绪论1 1 1 管壳式换热器的研究背景1 1 2 管壳式换热器现状和发展2 1 3 管壳式换热器分类3 1 3 1 板式支撑结构3 1 3 2 杆式支撑结构8 1 3 3 其他形式的支撑结构9 1 4 本论文的研究内容1 2 第二章螺旋折流板换热器壳侧传热与流阻性能实验研究1 5 2 1 壳程传热系数和压力降的实验测定原理1 5 2 1 1 总传热系数1 5 2 1 2 管程传热系数1 6 2 1 3 壳程传热系数1 6 2 1 4 壳程流体压降的组成1 7 2 2 试验过程1 8 2 2 1 试验方案1 8 2 2 2 实验步骤1 8 2 2 3 流体物性数据1 8 2 2 4 试验装置1 9 2 3 实验结果及分析2 3 2 3 1 壳程压力降2 3 2 3 2 壳程传热膜系数2 4 2 4 本章小结j 2 6 第三章管壳式换热器数值模拟的基本理论和方法2 7 3 1 引言2 7 3 2 计算流体动力学的基本原理2 7 h i 北京化丁人学硕i ：学位论文 3 2 1c f d 的数值方法2 7 3 2 2c f d 的特点及应用2 7 3 3 流体流动的基本特性与流体动力学控制方程2 8 3 3 1 质量守恒方程2 8 3 3 2 动量守恒方程，2 9 3 3 3 能量守恒方程3 0 3 4 湍流的数值模拟方法3 0 3 5 湍流模型简介3 1 3 5 1 涡粘模型3 1 3 5 2r e y n o l d s 应力方程模型( r s m ) 3 1 3 6 数值模拟软件f l u e n t 简介3 2 3 7 本章小结3 2 第四章螺旋折流板换热器的壳侧流体流动与传热数值模拟3 3 4 1 数值模拟模型的建立3 3 4 1 1 建立模型3 3 4 1 2 网格化分3 6 4 2 计算求解3 6 4 2 1 网格的导入、检验和修改3 6 4 2 2 求解器的选择3 7 4 2 3 求解方案的选择3 7 4 2 4 流场计算算法3 7 4 2 5 迎风格式的选择3 7 4 2 6 欠松弛因子3 7 4 2 7 边界条件3 7 4 3 数值模拟结果与分析3 7 4 3 1 数值模拟准确性验证3 9 4 3 2 壳程压力损失4 l 4 3 3 壳程传热性能4 4 4 4 本章小节4 8 第五章壳程流动阻力和传热准则方程的拟合4 9 5 1 实验数据分析4 9 i v 6 2 建议6 3 参考文献6 5 附录。6 9 致谢。8 9 研究成果及发表的学术论文9 1 作者和导师简介9 3 v 北京化t 人学硕i ：学位论文 co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do fs h e l l - a n d t u b eh e a te x c h a n g e rr e s e a r c h 1 1 2p r e s e n ts i t u a t i o na n dp r o g r e s so fs h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r 2 1 3c l a s s i f i c a t i o no fs h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e ra n df o r m e ra c h i e v e m e n t 3 1 。： 1b a f f l es u p p o r ts t r u c t u r e 3 1 3 2p o l es u p p o r ts t r u c t u r e 8 1 3 3o t h e rs u p p o r ts t r u c t u r e 9 1 4c o n t e n t so fs t u d y 12 c h a p t e r 2s h e l l s i d ee x p e r i m e n to fh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r 1 5 2 1e x p e r i m e n tt h e o r y 15 2 1 1o v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 1 5 2 1 2t u b e s i d eh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n t 。16 2 1 3s h e l l s i d eh e a tt r a n s f e rc o e i ! f i c i e n t 1 6 2 1 4f i t t e df o r m u l af o rc a l c u l a t i n gh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t s 。17 2 2e x p e r i m e n tm e t h o da n d e q u i p m e n t 18 2 2 1e x p e r i m e n tm e t h o d 18 2 2 2e x p e r i m e n ts t e p s 18 2 2 3f l u i dp r o p e r t i e s 18 2 2 4e x p e r i m e n te q u i p m e n t 19 2 3e x p e r i m e n td a t aa n dr e s u l t s 2 3 2 3 1s h e l l - s i d ep r e s s u r ed r o p 2 3 2 3 2s h e l l s i d eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 2 4 2 4c o n c l u s i o n s ：1 6 c h a p t e r3b a s i ct h e o r ya n dm e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r 2 7 v l 3 3 3e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 3 0 3 41 、1 r b u l e n tm e t h o d 3 0 3 ! ；ab r e i fi n t r o d u c t i o no ft u r b u l e n tm o d e l 3l 3 5 1t u r b u l e n tv i s c o s i t ym o d e l 31 3 5 2r e y n o l d ss t r e s sm o d e l 31 3 6ab r i e f i n t r o d u c t i o no f n u r n c r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n t 。3 2 ：；7c o n c l u s i o n s ：；：! c h a p t e r 4s h e l l s i d en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r 3 3 4 1p r e p r o c e s s 3 3 4 1 1g e o m e t r i cm o d e l 3 3 4 1 2g r i dg e n e r a t i n g 3 6 4 2c o m p u t i n g 3 6 4 2 1m e s hi n p u t ，c h e c ka n dm o d i f y 3 6 4 2 2s o l v e rc h o i c e 3 7 4 2 3s o l v em e t h o dc h o i c e 3 7 4 2 4f l u i dc o m p u t i n gm e t h o d 3 7 4 2 5u p w i n ds c h e m ec h o i c e 3 7 4 2 6u n d e r - r e l a x a t i o nf a c t o r s 3 7 4 2 7b o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 7 4 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 7 4 3 1v e r i f yt h ea c c u r a c yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 9 4 3 2s h e l l s i d ep r e s s u r ed r o p ：4 1 4 3 3s h e i i - s i d eh e a tt r a n s f e r z 扣4 4 4c o n c l u s i o n s 4 8 c h a p t e r 5c o r r e l a t i o nf i t t i n go ft h es h e l l s i d eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s v 北京化_ t 大学硕f j 学位论文 一一 a n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t s 4 9 5 1e x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y s i s 4 9 5 2c o r r e l a t i o nf i t t i n go f t h es h e l l s i d eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t s 4 9 5 3c o n e l a t i o nf i t t i n go fs h e l l - s i d ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t s 5 6 5 4c o n e l a t i o nf i t t i n go fs h e l l s i d eh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tb a s e do n 仔o m a b b d e s i g nd a t e 6 1 5 5p r o c e s sc a l c u l a t i o no fh e l i c a lb a f f l e sh e a te x c h a n g e rb a s e do nt h ef i t t e dc o r r e l a t i o n s 6 1 5 6c o n c l u s i o n s 2 6 1 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 6 3 6 1m a i n c o n c l u s i o n s 6 3 6 2s u g g e s t i o n s 6 3 r e f e r e n c e s 6 5 a p p e n d i x 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t 8 9 c o n t e n t so fp u b l i s h e dp a p e ro f p a t e n t s 9 1 b i o g r a p h y 9 3 i i 符呼说明 彳 c h ，c f c u c 占i 2 o d 以 西 以 h 鬼 h d 三 m 力 n u p r q r e r 心 凰 s f 如 知 4f d 4 ” p 名 6 符号说明 换热面积，m 2 多项式系数 k 一占湍流模型常数； 雷诺应力模型常数； 比热，k j k 百1 k 1 壳体内径，i l l n l 当量直径，r e a l 管子内径，m m 管子外径，n l l l l 总传热系数，w m - l k - 1 管程传热系数，w m - 2 k 1 壳程传热系数，w m - 2 k 1 管子有效长度，1 1 1 1 1 1 质量流量，蚝s 1 管子根数 努塞尔准数 普朗特准数 传热量，k j s 1 雷诺准数 管内污垢热阻，m 2 k 、矿1 壳程污垢热阻，i n 2 k w 1 壁面热阻，k - w 1 壳程有效流通截面面积，m m 2 温度，k 螺距，m n l 管间距，m l n 壳程进出口温差，k 对数平均温差，k 平均速度，m - s 1 密度，k g m - 3 粘度，p a - s 导热系数，w m 1 k 1 管子厚度，l l n i x 北京化丁大学硕i ：学位论文 ap 口 d e l 压力差，k p a 螺旋角 压力降当量直径，m 摩擦系数 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管壳式换热器的研究背景 在上世纪第四次中东战争期间所爆发的世界性经济危机对西方发达国家的政治、 经济造成了相当大范围的负面影响，而此次经济危机的本质就是一场能源危机。步入 2 1 世纪以来，伴随着全球性的能源紧张，作为解决当代能源问题的个重要途径 节能增效已经越来越被世界上的国家所关注，而且随之而来的投入也越来越大。我国 同样面临着严峻的能源危机，其主要表现在以下几个方面：首先，人均能源资源占有 量很低；其次，能源资源分布地域不均匀；再次，我国的重工业产业正处在发展中阶 段，能源工业装备落后导致能源利用效率有限；最后，由于公众普遍缺乏环保意识导 致环境污染严重。我国的能源效率还落后于世界先进国家，但是与之相对应的是我国 的节能潜力及空间巨大【l 】。 面对能源危机，在工程节能中高效节能设备的研发是重要途径，例如新式换热设 备的研究开发。换热器可以根据工艺过程的要求来对介质进行温度和热量控制，同时 还能对余热、废热进行行之有效的回收利用甚至再生产，因此换热器在相当范围内的 工业部门成为广泛使用的工艺设备。能源工程项目总投资的相当大的比例是投资在换 热器的生产与制造之中的：在化工厂中，换热器的投资约占总投资的l o 2 0 ；在 炼油厂中，该项投资约占总投资的3 5 - - 4 0 ；海水淡化工艺装置则几乎全部是由 换热器组成的【2 1 。但是目前广泛使用的换热器对能耗利用率较低，因此有效地提高换 热器的工作效率才可以在工程生产中达到节能降耗的目的，同时可以在整个国家工业 范围内产生不可估量的经济效益甚至深远的社会效益【3 】。 目前，管壳式换热器是能源工程项目中使用最为广泛的换热器结构形式，其属于 间壁式换热器的一种。管壳式换热器的特点是：换热器结构牢固，使用可靠；历史悠 久，制造使用的各技术环节已达到成熟；适应性较高，使用范围大。因此，目前工业 装置中管壳式换热器的用量占全部换热器用量的7 0 t 4 。近年来，随着能源项目的投 资进一步加大，出现了很多新型结构形式换热器。面对其他新型换热器的挑战，许多 专家学者对管壳式换热器原有结构的优化设计及新结构开发做了大量工作来改善其 内部流体流动提高传热性能同时降低动力消耗，其结构已由各种新型管束支撑结构元 件加上新型强化传热管的组合结构代替了传统的弓形折流板加光滑管的结构【5 】。 为改进和提高换热器工作效率已达到节能降耗的目的，最为重要的手段就是改善 其内部流体的流动形态，因为此因素对管壳式换热器传热性能和动力消耗起着决定作 用。由于内部换热介质有着多种流动形态，其主要区别在与对管束的冲刷流动上，所 以以此为依据，可以把这些流动的形态为横向流、纵向流和螺旋流1 6 。 北京化t 人学硕士学位论文 1 2 管壳式换热器现状和发展 在二十世纪初，对于管壳式换热器的开发设计就被科学家提出，当时对于这种新 型的换热设备开发设计的目的是为了满足大型电厂对在较高压力操作坏境下运行的 需要【7 1 。经过近一个世纪的发展，对于管壳式换热器设计生产制造已经有了质的飞跃， 其已经拥有比较完善的设计和生产加工方法，同时其工作性能可以较好地满足各种工 艺需要。其中b e l l d e l a w a r e 设计和t i n k e r 的流路分析法是工艺设计领域地位最高的 两种方法。 但是，随着高科技手段在换热设备之中不断引入，对于换热器在特殊环境下的适 应性的要求越来越高，而且对于设备本身的结构设计要求越来越苛刻，但是管壳式换 热器所具备的优势越趋明显，因为其本身的设计初衷就是为了满足在这些苛刻的工作 条件。目前弓形折流板支撑结构在管壳式换热器的支撑结构中使用最为广泛，其允许 操作压力范围可以从真空到4 1 5 m p a ，允许操作温度可以在1 0 0 1 1 0 0 之间。 但是由于受弓形折流板结构限制，其自身也存在一些缺点，主要表现有： 1 在壳程有流动死区存在，可导致以下弊端：部分流体对于整个换热的过程参与 不充分，使换热器整体传热效率下降；壳程进出口压力损失过大使对换热介质的流入 提供动力的动力装置工作负载加大，增加了能源消耗；对于含杂质的换热介质，容易 在壳程形成污垢积累，严重缩短了换热器有效使用周期。产生死区的原因在于：1 ) 由于弓形折流板阻挡了流体在其内部的流动，使得一部分流体形成了与主流体的流动 方向相反的流动形态，这种不利于流动与换热的现象叫做：返混；2 ) 流体横向冲刷 管束时，因为折流板的阻挡以及流体在折流板圆缺出的流通面积突变，产生较大的流 动阻力； 2 弓形折流板的结构中存在圆缺，对管束的支撑并不完全，因此在流体横向冲刷 管束是会产生较大的动量，诱发管束产生振动以致换热器失效 a l 。 对于管壳式换热器提高传热性能与降低动力消耗的研究主要通过对以下几点的 研究和开发来实现： 1 对管壳式换热器原有结构进行优化：以通过实验获得的数据对现有设计手段进 行局部修正，或者以通过实际操作中获得的参数对现存操作和结构参数进行优化设计 9 - n ； 2 对管壳式换热器进行新结构的开发：1 ) 新型的壳程结构：采用可以减少或消除 流动死区的新型管束支撑结构，使传热面积得到充分利用。如壳程采用无支撑的扭曲 管、折流杆、折流环支撑结构( 如图1 1 、图1 2 所示) 以及螺旋折流板换热器等壳 程结构；2 ) 新型传热换热管：通过改变管子形状或表面性状来强化传热，以提高换 热器的效率，即改变管子外形或在管外加翅片，如波纹管( 图1 3 ) 、表面多孔管、翅 片管、螺纹管等【1 2 - 1 7 1 。 2 图1 - 1 折流栅图 f i g 1 - 1r o db a f f l eg r i d 图1 _ 2 空心环支撑板 f 缝1 - 2r i n gs u p p o r t 图1 - 3 波纹管纵截面图 f i g 1 - 3l o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft h ec o r r u g a t e dt u b e s 1 3 管壳式换热器分类 在现阶段出现了许多新型的壳程管束支撑结构，这些新的结构形式从某些方面改 善了由弓形折流板自身结构限制而产生的弊病。 1 3 1 板式支撑结构 新型板式支撑结构之所以可以提高换热器的综合性能是因为在新结构中将单弓 形折流板形成的横向流动改变为平行于管子的纵向流动 2 2 1 。如多弓形折流板、整圆形 隔板、异形孔板、网状板等。 3 北京化t 人学硕 ：学位论文 1 3 1 1 双弓形折流板和多弓形折流板 为减小或消除单弓形折流板支撑结构下的流动死去，出现了双弓形折流板支撑结 构。如果将单弓形折流板改为结构参数完全相同的双弓形折流板( 如图1 4 所示) ，那 么流体在壳程中将形成两股平行流，横向流动的长度( 即横流经过的列管数) 大概是 原来同样参数结构下的单弓形折流板换热器的5 0 t 2 3 1 。由于压降与速度的平方、流体 流过的长度成正比，所以新结构形式下的压降只有原结构的1 3 1 2 ；传热系数与换热 介质流动速度的0 6 - 0 8 次方成正比，因此双弓形折流板换热器在压降降低的同时传 热系数必然会有所降低，但是根据实验数据，其传热系数是原有结构的的3 5 4 5 ，因 此传热系数降低的程度要比压降降低的程度小得多，所以其综合性能要优于单弓形折 流板【2 3 1 。与双弓形折流板类似，三弓形折流板换热器中壳程流体将形成三股平行流【2 3 】。 壳程入口 流体流向 - - 1 和嘶漉板 壳程入口 经过第一 流体流两 个折流板后 _ - 。 流体流向 图1 - 4 双弓形折流板及其流动形式 f i g 1 - 4t w o v e r t i c a lb a f f l e sa n df l u i df l o w 经过第一 个折流板后 _ 一 流体流向 h l i 和vk o t t k e 对双弓形折流板进行实验研究。实验结果表明：在相同r e 下， 双弓形折流板的壳程传热系数和压力降分别是单弓形折流板的7 8 和5 5 ，综合换 热性能提高4 0 左右。并通过观察流体在双弓形折流板壳侧的流动，解释其强化换热 的原因【2 4 1 。 1 3 1 2 螺旋折流板 改变壳程折流板的布置，将其布置成为近似螺旋线的结构，使壳程流体呈连续的 螺旋状流动( 图l - 5 ) 。使换热器可以提高综合换热性能( a 坳) 、减少旁路漏流和壳 4 第一章绪论 程结垢、对流体诱导振动起到抑制作用等。这是螺旋折流板换热器的设计初衷【2 姐丌。 螺旋折流板换热器理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但是在实际生产 中，这种连续的螺旋曲面加工和装配都比较难以实现。考虑到加工上的方便，应用一 定数量的的扇形平板即螺旋折流板替代连续螺旋曲面，使壳侧流体在这种近似的螺旋 面下进行连续螺旋状流动。螺旋折流板的搭接方式有连续搭接和交错搭接两种，按流 道又可分为单螺旋道和双螺旋道( 图1 7 ) 两种结构【2 8 】。 螺旋折流板强化传热机理： 1 ) 壳程流体的螺旋流动更加接近于柱塞状，提高了传热温差推动力【3 2 】； 2 ) 螺旋流动使壳侧流体存在半径方向的速度梯度并破坏了边界层( 图1 6 ) 【3 2 1 。 图1 - 5 螺旋折流板换热器示意图 f i g 1 - 5h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rd i a g r a m 乏t ”i 二j ， 雾曹乡j 乏跨 图l - 6 弓形折流板换热器( 左) 和螺旋折流板换热器( 右) f i g 1 - 6s e g m e n t a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r ( 1 e 动a n dh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r ( f i g h t ) 5 ，。 r ， 一 一 ， 一 一 一 ，。， 一 。 _ _ 一 一 ， 一- 一 ， 、一 一 、 ，。：一 r 一 、-一 ， _ _ 。，、 一 r 一 - ， r _ 。 二 北京化- t 人学顾l ：学位论文 连续搭接 交锘攥接 双蜒捷络构 图1 - 7 螺旋折流板换热器 f i g 1 7h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r w a n gs h u l i 对分别具有不同螺旋角的螺旋折流板换热器的壳程流动情况进行研究 并将螺旋折流板换热器的壳程压力降与单弓形折流板换热器进行比较。结果表明：螺 旋角越小，周向上的壳程流体速度越大，即螺旋程度越强烈；螺旋折流板换热器的壳 程压力降小于单弓形折流板换热器【2 j n 。 k r a l d 等对螺旋角在5 。4 5 。范围内的螺旋折流板换热器进行了实验研究。实 验结果表明：螺旋折流板换热器综合换热性能( a a p ) 高于单弓形折流板换热器，螺 旋角越大综合换热性能越高，其最大值出现在4 0 。，之后下降【2 9 】。 陈世醒，张克铮等人使用不同粘度的介质对螺旋折流板换热器与普通弓形折流板 换热器进行对比实验。实验结果表明：对高粘度介质，在同样工况下螺旋板的综合换 热性能( a 3 p ) 约为普通弓形板的1 5 倍；而对低粘度介质，在同样工况下螺旋板的 6 第一章绪论 综合换热性能( a a p ) 约为普通弓形板的2 4 倍【3 0 。3 。 王秋旺等人对内插假管及不同螺旋角的螺旋折流板换热器( 交错搭接) 进行研究， 并与普通弓形折流板换热器进行对比。研究结果表明，假管不能提高传热综合性能反 而会使其下降；相同工况下，螺旋角越大螺旋折流板换热器的壳程彳p 和m 越小，且 小于同样工况条件下弓形折流板换热器的却和n u 。但是螺旋折流板换热器综合换热 性能( a a p ) 高于普通弓形折流板换热器【3 2 】。 赵娜等人对3 0 。、4 0 。螺旋角的螺旋折流板换热器进行了实验研究，并与普通弓 形折流板换热器进行对比。实验结果表明：螺旋折流板换热器综合换热性能( a a p ) 高于普通弓形折流板换热裂3 3 】。 1 3 1 3 整圆形隔板 为了进一步将由弓形折流板产生的滞留死区消除，提高壳程流体的流速，通过改 变折流板支撑结构将其横向流动变为平行于管束的纵向流动，在电站和石油化工中， 出现了整圆形隔板。最初整圆形折流板的结构特点包括：无圆缺；板上钻有间隙足够 大可以使管子和流体通过的的大圆孔。此结构的优点在于：加大了传热温差推动力， 因为管内外流体总体呈纵向逆流；壁面不易结垢，壳程传热得到强化，因为流体通过 管壁与孔板之间的圆环间隙产生射流，使流体离开孔口很快就形成湍流；减小传热管 的振动p 制。 整圆形大孔隔板虽然可以强化传热，但是其增加了换热器的直径，而且对管子缺 乏支撑，所以出现了带小孔的整圆形隔板，但是小孔结构很容易结垢，并腐蚀设备； 因此又出现了矩形孔、梅花孔等异形孔整圆形隔板，这种结构不但具有大、小孔隔板 的优势而且可以有效支撑管束，但其开孔形式复杂加工不便；于是又出现了网状整圆 形隔板【2 3 1 。上述折流板结构形式如图1 8 所示。 7 北京化工人学硕1 j 学位论文 丈管孔k 小圜孔c 。矩形孔 1 3 2 杆式支撑结构 l l i 梅花兔e 弼敬礼 图1 _ 8 整圆形折流板 f i g 1 - 8c i r c l eo r i f i c ep l a t e 1 9 7 0 年美国菲利浦石油公司首先提了出折流杆支撑结构形式换热器的设机构想。 此种支撑结构的提出主要是为了改善折流板换热器中的流体诱导振动。与原有折流板 式支撑结构相比其在壳程由折流杆组成的折流圈来代替折流板，此结构可以有效支撑 管束并且加强流体湍动，从而强化传热f 3 5 1 。 虽然在折流杆换热器提出初期，并未得到广泛的认同，但是美国菲利浦石油公司 一直致力于此结构的设计与研发，开发出对应于此结构的较为实用的设计程序，并获 得专利。如今折流杆换热器已在世界范围内得到了较为广泛的使用【3 6 1 。 折流杆支承结构由折流栅和支承杆组成，如图1 - 9 所示【2 3 】。 折流杆支承结构强化壳程传热原因：壳程流体纵向流动，基本消除流动死区；流 体流过折流杆( 圆杆) 后对管壁形成较强烈的冲刷，从而减薄了传热边界层【2 3 1 。 图1 玛流栅网架结构 f i g 1 - 9s t r u c t u r eo f r o db a f f l e 华中理工大学的刑华伟在其硕士论文中对各种不同介质以及不同折流圈间距的 折流杆换热器进行了实验研究，根据实验数据拟合得到折流杆换热器的工艺计算公 式，并且对不同折流圈间距对换热器性能的影响作出分析【”】。 王定标等人分别在具有单排、双排管间布杆和不同折流圈间距的折流杆换热器 中，分别对壳程流体在层流状态( r e 2 3 0 0 ) 和湍流状态( r e 2 3 0 0 ) 两种流动状态下进行 实验。根据实验数据拟合得到换热器的工艺计算公式【3 引。 严良文等人对波形折流杆换热器进行工业实验研究，管程和壳程介质分别为工业 热醋酸和循环冷却水。根据实验数据及修正的威尔逊图解法得到了管程、壳程传热系 数公式【3 9 1 。 1 3 3 其他形式的支撑结构 现阶段工业生产中应用较多的为空心环支撑结构和管子自支撑结构。 1 3 3 1 空心环支撑结构 空心环支撑结构如图1 1 0 所示，1 表示换热管，2 表示空心环。此结构下壳程流 体纵掠管束时，因空心环对管间流体的反复扰动增强了壳侧的换热，因此换热器综合 性能得到提高【2 3 1 。 9 北京化t 大学硕卜学位论文 一- 一 图1 - 1 0 空心环支撑结构 f i g 1 - 1 0p d n gt u b eb u n d l es u p p o r t 邓先和等人对横纹槽管管束在折流杆和空心环两种支撑结构下的传热强化特性 进行试验对比。实验结果表明：横纹槽管束的最佳支撑物是空心环支撑或弹性波形薄 片支撑，与弓形板和折流杆支撑相比，传热面积有所减少，传热速率得到提高【4 0 4 1 l 。 1 3 3 2 管子自支撑结构 ( 1 ) 刺孔膜片管 刺孔膜片管结构形式如图1 1 l 所示。与普通弓形折流板换热器相比较其结构具有 以下优势：( 1 ) 膜片既是支承元件又是臂壁的延伸，增大了单位体积内的有效换热面 积。( 2 ) 流体的轴向流动降低压降。( 3