（工程热物理专业论文）螺旋折流板换热器壳程传热与流动性能的数值研究及结构优化.pdf

i 嬲 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 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由 本人承担。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇 编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壶选导师签名：塑望日期：垫堕幺加 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 主要符号表v 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 螺旋折流板换热器简介2 1 2 1 螺旋折流板换热器的分类2 1 2 2 螺旋折流板换热器的结构参数3 1 2 3 螺旋折流板换热器的特点5 1 3 螺旋折流板换热器研究现状一6 1 3 1 螺旋折流板换热器性能研究现状6 1 3 2 螺旋折流板换热器强化传热研究现状 7 1 3 3 前人工作的不足1 0 1 4 换热器性能评价标准分析1 1 1 4 1 换热器评价标准的发展1 1 1 4 2 历因子1 2 。 1 4 3 场协同原理1 3 1 4 4 性能评价图1 4 1 5 本文的主要工作1 6 第二章数值模拟方法及模型的建立1 9 2 1 数值计算基础19 2 1 1 计算流体动力学( c f d ) 简介一1 9 2 1 2 数值模拟方法2 0 2 2 计算模型的建立2 1 2 2 1 研究对象及物理模型2 1 - 2 2 2 数学模型2 2 2 2 3 湍流模型2 3 2 2 4 边界条件的处理2 4 2 2 5 求解器控制2 5 2 3 网格独立性及计算可靠性验证2 7 2 4 数据处理2 8 2 4 1 物性参数2 8 2 4 2 特征流速与船数2 8 2 5 小结2 9 一 第三章不同结构螺旋折流板换热器的传热与阻力性能比较3 1 3 1 结构设计3 1 3 2 换热与阻力的轴向分布3 3 3 3 换热与阻力性能比较分析3 5 3 4 壳程流场比较分析3 7 3 5 螺旋折流板换热器壳程的三场协同分析4 1 3 6 j 、结4 4 山东大学硕士学位论文 第四章椭圆管螺旋折流板换热器的性能分析4 7 4 1 管束结构参数4 7 4 2 换热及阻力性能对比4 8 4 3 壳程流场对比分析5 l - 4 4 性能评价图及三场协同分析5 3 4 5 j 、结。5 6 第五章椭圆管螺旋折流板换热器的结构优化5 7 5 1 螺旋角优化5 7 5 1 1 螺旋角对性能的影响5 7 5 1 2 优化结果5 9 5 2 长径比优化5 9 5 2 1 长径比对性能的影响6 0 5 2 2 长径比对流场的影响6 2 5 2 3 优化结果6 5 - 5 3 小结6 5 第六章结论与展望6 7 参考文献6 9 一 虱c谢7 5 攻读学位期间发表的论文7 7 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i n o m e n c l a t u r e v c h a p t e r lp r e f a c e - 1 1 1b a c k g r o u n d 一1 1 2i n t r o d u c t i o no f h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r 2 1 2 1c l a s s i f i c a t i o no fh e l i c a lb a f f i eh e a te x c h a n g e r 2 - 1 2 2s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f h e l i c a lb a f f i eh e a te x c h a n g e r 3 一 1 2 3f e a t u r e so f h e l i c a lb a m eh e a te x c h a n g e r 5 1 3r e s e a r c hs t a t u so fh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r 6 1 3 1p r o p e r t yo f h e l i c a lb a f f i eh e a te x c h a n g e r 6 1 3 2h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fh e l i c a lb a f f i eh e a te x c h a n g e r 7 1 3 3t h es h o r t a g eo f t h ep r e v i o u sw b r k - l o 1 4a n a l y s i so fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao fh e a te x c h a n g e r s 1 1 1 4 1d e v e l o p m e n t 一11 1 4 2 j 7 j f i f a c t o r 一1 2 - 1 4 3f i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e 一1 3 1 4 4p e c d - 1 4 - 1 5r e s e a r c hc o n t e n t s 1 6 c h a p t e r 2n u m e r i c a lm o d e la n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n 19 2 1b a s i so f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 1 9 2 1 1o v e r v i e wo f c f d - 1 9 2 1 2n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d 2 0 2 ：! n u m e r i c a lm o d e l 2 1 2 2 1r e s e a r c ho b i e c ta n dp l a y s i c a lm o d e l - - 2 1 2 2 2m a t h e m a t i c a lm o d e l 一2 2 2 2 3t u r b u l e n tm o d e l - 2 3 2 2 4b o u n d a r yc o n d i t i o n 一2 4 - 2 2 5s o l v e rc o n t r o l 一2 5 2 3g r i di n d e p e n d e n c ea n ds i m u l a t i o nr e l i a b i l i t yv a l i d a t i o n 2 7 2 4d a t ap r o c e s s i n g 一：1 8 2 4 1p h y s i c a lp a r a m e t e r 一2 8 2 4 2c h a r a c t e r i s t i cv e l o c i t ya n dr e - 2 8 2 5s u m m a r y - 2 9 c h a p t e r 3h e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ep r o p e r t yo fd i f f e r e n tb a m et y p e - 31 - 3 1s t r u c t u r ed e s i g n 一31 3 2a x i a ld i s t r i b u t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c e - 3 3 3 3a n a l y s i so f h e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p - 3 5 3 4a n a l y s i so fs h e l l s i d ef i e l d 3 7 3 5a n a l y s i so f t h r e ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l ef o rh e l i c a lb a 仟i eh e a te x c h a n g e r 一4 1 3 6s u m m a r y 一4 4 - 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r 4a n a l y s i so fh e l i c a lb a f n eh e a te x c h a n g e rw i t he l l i p t i ct u b e s 4 7 4 1s t r u c t u r ep a r a m e t e ro f t u b eb u n d l e 4 7 4 2c o m p a r i s o no fc a l c u l a t i o nr e s u l t s 4 8 4 3a n a l y s i so fs h e l l - s i d ef i e l d 51 4 4a n a l y s i so fp e c da n dt h r e ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e 5 3 4 5s u m m a r y 5 6 c h a p t e r 5o p t i m i z a t i o no fh e l i c a lb a 棚eh e a te x c h a n g e rw i t he l l i p t i ct u b e s - 5 7 5 1o p t i m i z a t i o no fs p i r a la n g l e 5 7 5 2 1e f r e c to fs p i r a la n g l eo nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e 5 7 5 2 2o p t i m i z e dr e s u l t s 5 9 5 2o p t i m i z a t i o no f a x i sr a t i o 5 9 5 2 1e 廊c to f a x i sr a t i oo nh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c e 6 0 5 2 2e 旋c to f a x i sr a t i oo nf l o wf i e l d 6 2 5 2 3o p t i m i z e dr e s u l t s 6 5 5 3s u m m a r y 6 5 c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n df u r t h e rw b r k 6 7 r e f e r e n c e s 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t 7 5 p a p e rp u b l i s h e d 7 7 摘要 摘要 螺旋折流板换热器具有换热效果好、壳侧压降小、管束不易结垢以及能防止 管束流体诱导振动等诸多优点。随着节能政策对换热设备的要求越来越高，需要 对影响壳程性能的因素进行全面比较，新型的高效低阻换热器也急需研究推广。 本文采用数值模拟的方法对螺旋折流板换热器进行计算，分析了不同切割形 式的螺旋折流板片对其壳侧传热和阻力特性的的影响，并对传统螺旋折流板换热 器进行优化，得到性能更优越的新型换热器结构。主要工作如下： 1 、利用a n s y s 软件进行数值模拟计算，建立了螺旋折流板换热器的计算模 型。通过网格独立性验证得到了既有效又经济的网格数量，合理选择湍流模型、 修正物性参数，定义边界条件及求解器控制等，保证计算的可信度。并对壳程胎 数及特征流速的定义进行了详细计算，作为数据处理的基础。 2 、研究比较了在不同螺旋角下，不同切割形式的折流板对壳程换热性能的影 响，并应用三场协同原理进行分析。结果表明在小螺旋角( 萨2 0 。) 时，椭圆板片 综合换热性能更好；大螺旋角( 萨4 0 。) 时扇形板片情况占优。研究结果对于工程 应用中合理选择板片结构有一定的参考意义。 3 、提出了一种高效低阻的新型螺旋折流板换热器。与以往将研究重点集中在 折流板区域不同，本文采用了以椭圆管代替传统圆管管束的方法，达到强化换热 的目的。计算表明：在f l = 3 0 。、2 0 0 0 r e 7 0 0 0 时，椭圆管螺旋折流板换热器的换 热与圆管的相当甚至更优，且大大减小了壳程压降，综合换热性能提高3 2 。4 0 。 椭圆管强化换热的效果表示在性能评价图的第三象限，说明是难得的既强化换热 又降低阻力的情况。这是因为在相同的场协同数凡下，椭圆管的速度与压力梯度 的协同角靠均大于圆管的，具有更好的三场协同程度。 4 、为优化其壳侧综合性能，对不同螺旋角及长径比的椭圆管螺旋折流板换热 器分别进行计算，得到综合性能最优的结构参数为：萨3 5 0 ，肛2 5 。 关键词螺旋折流板换热器；数值模拟；椭圆管；肛因子；三场协同；性能评价图 a b s t r a c t a b s t r a c t h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e ，s m a l ls h e l l - s i d ep r e s s u r ed r o p ，l e s sb u n d l ed e p o s i ta n dp r e v e n t i n gb u n d l e f l u i df r o mi n d u c e dv i b r a t i o n w i t hm o r ea n dm o r e e n e r g ys a v i n gd e m a n d s a c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o nb e t w e e ni n f l u e n c ef a c t o r so fs h e l l s i d ep e r f o r m a n c en e e d s t ob ed r a w n a tt h es a m et i m e ，t h en o v e lh e a te x c h a n g e ro fh e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n w i t hl o w p e n a l t yo fp r e s s u r ed r o pi su r g e n tt ob es t u d i e da n dp r o m o t e d b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h eh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rw a s c a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fs h e l l s i d eo n t h ed i f f e r e n tc u t t i n gf o r m so fb a f f l es l a b sw a sa n a l y z e d w h a t sm o r e ，t h et r a d i t i o n a l h e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rw a so p t i m i z e di ns t r u c t u r ei no r d e rt og e tm o r es u p e r i o r p e r f o r m a n c e t h em a i nw o r kw a sa sf o l l o w s ： 1 ah e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rc a l c u l a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db yu s eo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y s g r i di n d e p e n d e n c ev a l i d a t i o nw a su s e dt o o b t a i nb o t he f f e c t i v ea n de c o n o m i cg r i d r a t i o n a lt u r b u l e n c em o d e ls e l e c t e d ，p h y s i c a l p a r a m e t e r sm o d i f i e d ，b o u n d a r yc o n d i t i o na n ds o l v e rc o n t r o lp r o p e r l yd e f i n e dw e r e c a r r i e do u tt og u a r a n t e et h ec r e d i b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i o n a n dt h ed e f i n i t i o no fr e n u m b e ra n dc h a r a c t e r i s t i cv e l o c i t yo ns h e l l - s i d ew a sc a l c u l a t e di nd e m i l ，w h i c hs e r v e d a st h eb a s i so fd a t ap r o c e s s i n g 2 t h ei n f l u e n c eo nt h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pp e r f o r m a n c eo fs h e l l s i d e w a si n v e s t i g a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tc u t t i n gf o r m so fb a f f l es l a b s t h e r e s u l t si n d i c a t et h a te l l i p t i cs l a bs h o w sab e t t e rc o m p r e h e n s i v eh e a tp e r f o r m a n c ea tt h e s m a l ls p i r a la n g l ec 萨2 0 0 ) ，w h i l et h es e c t o rs l a bp e r f o r m sb e t t e ra tt h el a r g es p i r a la n g l e ( 户4 0 0 ) t h er e s u l t sa r ei n s t r u c t i v ef o rb a f f l es l a b ss t r u c t u r es e l e c t i o ni ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 3 an o v e lh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e ro fh e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o nw i t hl o w p e n a l t yo fp r e s s u r ed r o pw a sp r o p o s e d d i s t i n c tf r o mo t h e rr e s e a r c h e s ，t h i sp a p e r r e p l a c e dt r a d i t i o n a lc i r c u l a rt u b eb u n d l ew i t he l l i p t i c a lo n et oe n h a n c et h eh e a tt r a n s f e r r e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no f , 8 = 3 0 。a n d2 0 0 0 r e 7 0 0 0 ，t h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e rw i t he l l i p t i c a lt u b e si se q u a lo rs u p e r i o rt o i i i 山东大学硕士学位论文 t h a to ft h ec i r c u l a ro n e a n de l l i p t i c a lt u b e sc a l lg r e a t l yr e d u c et h ep r e s s u r ed r o po f s h e l l s i d e ，w h i c hi m p r o v e s3 2 - - 4 0 o ft h ec o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h ee n h a n c e de f f e c t so fe l l i p t i c a lt u b e sa r es i t u a t e di nt h et l l i r dq u a d r a n to fp e c d ， i l l u s t r a t i n gar a r ec o n d i t i o nw h i c hb o t he n h a n c e sh e a tt r a n s f e ra n dr e d u c e sr e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e t h i sm a yb e c a u s ee l l i p t i ct u b e sh a v ea d v a n t a g e si nt h r e ef i e l ds y n e r g y p r i n c i p l e 4 i no r d e rt o o p t i m i z et h ec o m p r e h e n s i v eh e a tp e r f o r m a n c eo fs h e l l s i d e ， s i m u l a t i o n su n d e rd i f f e r e n ts p i r a la n g l ea n da x i sr a t i oo fe l l i p t i ct u b e sh e l i c a lb a f f l eh e a t e x c h a n g e rw e r ec a r r i e do u ts e p a r a t e l y t h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d a t ：胪3 5 0 ，黔2 5 k e yw o r d sh e l i c a lb a f f l eh e a te x c h a n g e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e l l i p t i c a lt u b e ；j f f a c t o r ；t h r e ef i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n d i a g r a m ( p e c d ) i v 主要符号表 主要符号表 一面积，m 2 ； 一椭圆长轴，m ； 一螺距，m ； 一椭圆短轴，m ； 一定压比热容，j ( k g k ) ； 一当量直径，m ； 一壳体直径，m ； 一场协同数； 一阻力因子； 对流传热系数，w ( m 2 k ) ； 一换热因子； 一长度，m ； 一折流板间距，m ； 一质量流量。k g s ； 熵产单元数； 一努赛尔数： 一泵功，w ； 一压力，p a ； 一普朗特数： 一换热量，w ； 一雷诺数： 一温度，； ，p 一换热管间距，m ； v 速度，m s ； v 。特征速度，m s ； 工 一长径比； 希腊字母 口一螺旋角，。； 6 一厚度，m ； 五 一导热系数，w ( m k ) ； l ， 一运动粘度，m 2 s ； 一动力粘度，p a s ； p 一密度，k g m 3 ； 秒场协同角，。； 下角标 加 一内部： x , y , z 一坐标位置： w 一壁面； v 彳 口 b 6 勺 j d 乃 厂 矗 ， 三 厶 m 腑 m p p 办 q 胎 r 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。 上个世纪7 0 年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的发展。 为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高 效能换热设备。因此，几十年来，高效换热器的开发与研究始终是人们关注的课 题，设计开发新型换热器、提高换热器的性能具有十分重要的意义。 管壳式换热器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管束，让两种流体分别 从管程和壳程流过进行热量交换。为了提高壳程流速，往往在管外空间装设各种 形式的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。管壳式换热器的主要优点是 结构简单，造价较低，使用范围广，还能适应高温高压的要求。虽然面临着各种 新型换热器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛适应性，至今仍然占据着优势 位置。弓形折流板换热器是最普遍应用的一种管壳式换热器，但存在着诸多的缺 陷【1 3 】，如易激发管束振动而导致换热器失效，壳程压降较大，流体流过壳侧存在 着涡流滞留区，滞留区内部换热系数降低并且容易结垢。这些缺陷都将威胁换热 器的安全运行。 针对上述缺陷，美国a b b 公司于2 0 世纪9 0 年代初首先推出了螺旋折流板换 热器【4 】。我国在1 9 9 9 年，由中国石油天然气集团和抚顺石油二厂联合研制专利产 品：管壳式螺旋折流板换热器。螺旋折流板换热器在实际应用中取得了良好的效 果，尤其对于高粘度流体效果更为突出。这种换热器使壳程内部流体做螺旋运动， 能减少管板和壳体之间易结垢的死角，显著的防止结垢，从而提高换热效率。在 气一水换热情况下，传递相同热量时，该换热器可减少3 0 , - - 4 0 的传热面积，节省 材料2 0 3 0 。对于低雷诺数下( r e 1 0 0 0 ) 的传热，螺旋折流板效果更为突出【5 】。 螺旋折流板换热器是高效的新型换热设备，对其性能的研究及优化格外重要。 但因其流道形状异常复杂，运用实验研究方法不仅会耗费大量人力、物力，并且 研究周期长，不利于换热器及时优化更新。而采用数值计算的方法研究换热器的 换热和阻力特性，是一种方便快捷、节省成本的途径，同时还能够直观得到传统 实验研究无法得到的内部复杂流动和换热情况，为螺旋折流板换热器的研究和优 化提供理论依据。 本课题即采用数值模拟的方法对不同形式的螺旋折流板换热器进行壳侧的换 山东大学硕士学位论文 热和阻力特性研究，比较不同结构性能优劣，并对其结构进行优化。 1 2 螺旋折流板换热器简介 螺旋折流板换热器是一种新型的高效的管壳式换热器，它的主要流体通道由 管程和壳程组成。以图1 1 为例，冷流体流经一定规律布置的管束内，热流体流经 管外的壳体空间，沿折流板倾斜方向螺旋向前，冷热流体逆流布置，完成非接触 式换热过程。 图1 1 螺旋折流板换热器流程图 1 2 1 螺旋折流板换热器的分类 根据折流板的形式不同，螺旋折流板换热器分为连续螺旋折流板换热器和非 连续螺旋折流板换热器。流体在连续螺旋折流板换热器的壳侧做理想的连续螺旋 流动，但是，由于螺旋曲面加工困难，同时换热管与折流板的配合也比较难实现。 由于工艺上的限制，工程上常采用一系列的扇形或椭圆形平面板前后连接，在壳 侧形成近似螺旋面，使壳侧流体产生近似连续螺旋流动。其中非连续螺旋折流板 换热器又分为连续搭接和交错搭接两种方式。几种形式的螺旋折流板换热器如图 1 2 所示。本课题将分别对非连续和连续螺旋折流板换热器进行数值模拟研究。 第一章绪论 ( a ) 连续螺旋折流板换热器 3 - t 人入人入 yy y l 【塑望j ( b ) 非连续螺旋折流板换热器 国 r_ 贩奴奴 芩秭影 。一 ( c ) 连续搭接方式( d ) 交错搭接方式 图】2 几种形式的螺旋折流板换热器 1 2 2 螺旋折流板换热器的结构参数 折流板紧密依靠在壳体内壁上，其外周基圆即为壳体内径n 。连续螺旋折流 板的螺旋角为折流板在壳体上形成的螺旋曲线切线与壳体横截面间的夹角口。而非 连续螺旋折流板中，定义折流板平面的法线方向与轴线的夹角为螺旋角口，如图 1 3 所示。一般有5 。邻 5 0 。d i 。和的大小将影响壳侧流道截面积，进而影响流 速的大小，同时影响壳侧流动旋转流场的速度梯度，是直接关系到传热性能及流 动阻力好坏的两个重要几何参数。 连续螺旋折流板一个螺旋周期沿轴向的长度称为螺距，用b 表示；对于非连 续螺旋折流板来说，相邻的两个相同位置折流板的轴向间距称为螺距，如图1 4 。 每个螺距内所有折流板在横截面方向的投影拼接为一个整圆。容易想象，一个螺 旋周期内的折流板数目越多，壳侧流体流动就越接近于理想的螺旋流动。一般来 说，一个螺距由2 4 块折流板组成，而工程上最常用的是4 块折流板，每块折流 板在横截面上的投影为四分之一个圆。 山东大学硕士学位论文 图1 - 3 非连续螺旋折流板的螺旋角口 图1 4 非连续螺旋折流板的螺距曰 螺距的计算公式由于结构的不同而不同，其主要受螺旋角和壳体内径d 的 影响【6 1 。 对于连续螺旋折流板： b = d 7 r t a n p 对于四分之一椭圆螺旋折流板： 第一章绪论 b = 2 d t a n f l 对于四分之一扇形螺旋折流板： ( 1 2 ) b = ( 卜p ) 门d s i n n t a n f l ，( 硷2 ，0 9 1 ) ( 1 3 ) 玎 比较公式( 1 2 ) 和公式( 1 - 3 ) 可以看出，在相同的壳体内径d 和螺旋角 下，四分之一扇形螺旋折流板的螺距大于四分之一椭圆螺旋折流板的，前者是后 者的1 4 1 4 倍。 1 2 3 螺旋折流板换热器的特点 与常规弓形折流板相互平行布置方式不同，螺旋折流板互相形成一种特殊的 螺旋形结构，每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度，使壳侧流体呈螺 旋状流动。其结构与弓形折流板相比具有以下优点： ( 1 ) 壳侧介质流动为螺旋流，可以加剧湍流程度，使换热管边界层厚度减薄， 有利于提高传热系数。相关文献显示 7 1 ，其单位压降下的壳程膜传热系数是弓形折 流板换热器膜传热系数的2 倍左右，多数工况下的总传热系数可提高3 0 5 0 。 因此，在同样热负荷的情况下可减小换热器的尺寸和质量。 ( 2 ) 螺旋流动状态代替了传统的弓形折流板“z 字形折返流动状态，明显 降低壳程压降，最高达7 0 i 7 1 。 ( 3 ) 壳程无滞流区与死区，无污垢沉积，因此，换热器在整个使用周期内可 以保持换热性能稳定，在长期使用后仍然具有良好的操作性能，有利于延长检修 周期，提高使用寿命。 ( 4 ) 对于较粘稠的介质及易结垢的介质，螺旋折流板换热器更能体现出优势。 ( 5 ) 抗振性能好，特别适用于汽液两相或介质流量波动较大的工况。 螺旋折流板换热器强化换热的原因有以下几个【8 】：首先，流体在壳侧的螺旋流 动更接近于柱塞流，这样提高了传热温差；其次，螺旋流动使壳侧流体存在沿半 径方向的速度梯度，从而容易破坏边界层，增加湍流强度，达到强化换热的目的。 螺旋折流板换热器也有一定的缺点，比如，折流板和定距管的加工较弓形折 流板换热器要困难许多，需要专用的加工胎具。因此价格略高于弓形折流板换热 器。 山东大学硕士学位论文 1 3 螺旋折流板换热器研究现状 对螺旋折流板换热器的研究主要集中在壳侧换热及阻力特性研究，以及壳侧 流体动力学及可视化。后来随着螺旋折流板换热器的发展，针对其存在的问题， 如何改进完善其壳侧结构，提高其综合性能成为众多学者研究的重点。 1 3 1 螺旋折流板换热器性能研究现状 陈世醒f g a o l 等进行了螺旋折流板换热器以高粘度和低粘度流体为介质的实验 研究。结果表明：与螺旋流换热器相比，在实验的流量范围( 5 , - - , 1 0 m 3 h ) 内，弓 形折流板换热器的壳侧换热系数增大0 - - 9 0 ，而阻力增大1 4 8 - - 3 5 0 。张少维【l l 】 采用数值模拟的方法研究了弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器，发现螺旋折 流板结构的性能明显优于弓形折流板结构。文献 7 】中指出，螺旋折流板换热器与 弓形折流板换热器相比，其壳程单位压降下的传热系数可提高0 6 - 2 倍，压降减 少3 0 - 7 0 ；可以减缓污垢沉积，延长清洗周期3 - 5 倍；相同换热能力的螺旋折 流板换热器设计面积平均比弓形折流板换热器减少3 0 。孙成梨1 3 】以柴油( 水) 为工 质，进行了不同壳体结构的折流板换热器对比试验。研究结果表明：在流量范围 为4 1 9 m 3 l l 内，螺旋角为1 2 0 的螺旋折流板换热器的壳侧传热系数比弓形折流板 换热器高3 3 1 3 6 ，而壳侧流动阻力比弓形折流板换热器低1 5 - - 3 5 。螺旋折流 板换热器具有较好的传热与流阻特性，在石油、化工