（化学工程专业论文）螺旋隔板单管换热器传热与流阻性能实验研究及数值模拟.pdf

摘要 捅要 随着我国经济的快速发展，对能源的需求也日益增加。从目前来看，我国人 均能源资源仅为世界平均水平的一半，而能源利用效率只有3 5 ，远低于发达国 家的5 2 ，如何提高能源的利用效率以节约能源具有十分重要的现实意义。管壳 式换热器广泛应用于石油化工、能源动力、制冷、机械、冶金、建筑等行业之中， 它是一种重要的热能转换设备，其效率的高低，直接影响到热能的转换效率和利 用水平。因此，改进和提高换热器的传热效率是节省投资、节约能源、提高生产 能力的重要途径。 螺旋隔板换热器是近年发展起来的高效能管壳式换热器，流体动力学和传热 学的实验研究表明，螺旋隔板换热器具有如下优点：( 1 ) 流体在壳程呈近似塞状 流动：( 2 ) 流速均匀；( 3 ) 泄漏流及旁路流少；( 4 ) 不存在流动死区，因而它能 有效地将壳程压降转化为传热系数的提高。 本文以水一水换热为实验对象，研究了螺旋隔板单管换热器的传热与流阻性 能。实验传热管共有六根，其中一根是外径为1 6 0 m m 的光滑管；其余五根是分 别采用外径为1 6 0 m m 的光滑管加工成具有不同翅片高( 1 0 m m 、1 2 m m 和1 5 m m ) 和翅片距( 0 8 m m 、1 0 m m 和1 2 m m ) 的花瓣管。通过修正的威尔逊分离方法分 别得出了6 种螺旋隔板单管换热器的管程传热系数，并结合总传热系数分别计算 出了各自的壳程传热系数，同时还直接测量出各换热器的壳程压降。实验结果表 明，在相同的r e 值下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的壳程传热准数n u 是螺旋隔 板光滑管单管换热器的2 4 倍，压降只是它的1 4 1 8 倍，证明花瓣管具有十 分优越的强化传热性能，其与螺旋隔板搭配构成的换热器具有良好的传热与压降 性能。在实验范围内，花瓣管翅片高度的增加、翅间距的减少都有利于传热强化 性能的提高。实验误差分析表明，壳程对流换热系数口的实验误差小于7 2 7 ， 壳程压降a p 的实验误差小于1 5 4 。 本文还采用f l u e n t 6 0 软件对整个螺旋隔板光滑管单管换热器的流场、温度 场和压力场进行了数值模拟，并与实验测量和计算结果进行了对比，发现很吻合， 这验证了数值模拟的准确性。流场模拟结果显示，流体在壳程呈螺旋状流动，没 有死区，而且流速比较均匀，变化比较小，从而进一步验证了许多学者经过实验 研究分析得出的螺旋隔板换热器具有的优良性能。在此基础上，还对螺旋隔板花 瓣管单管换热器的一段进行了数值模拟，主要是观察花瓣管周围的流场分布情况， 发现流体主体流动趋势仍是螺旋状，但在翅片附近速度场的大小和方向变化较大， 证明翅片的存在激发了流体的边界层分离和湍动，从而强化了传热。 关键词：螺旋隔板换热器花瓣管传热强化数值模拟 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yo fo u rc o u n t r y ，t h ed e m a n df o rt h e e n e r g yi n c r e a s e sd a yb yd a yt o o s e e nf r o mt h ep r e s e n t ，t h ep e rc a p i t ae n e r g y r e s o u r c e so fo u rc o u n t r yi so n l yh a l fo ft h ea v e r a g el e v e li nt h ew o r l d ，a n de n e r g y e f f i c i e n c yi so n l y3 5 ，a n dg r e a t l yb e l o w5 2 o fd e v e l o p e dc o u n t r y ，h o wt oi m p r o v e u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fe n e r g yt os a v ee n e r g yh a sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n g s h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e di np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，e n e r g y p o w e r ，r e f r i g e r a t i o n ，m a c h i n e r y ，m e t a l l u r g y ，b u i l d i n g ，e t c ，a n dt h e ya r eo n ek i n do f v e r yi m p o r t a n th e a te n e r g yc o n v e r s i o ne q u i p m e n t s ，t h e i rh e a tt r a n s f e rr a t e sd i r e c t l y i n f l u e n c ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n du t i l i z a t i o nl e v e lo fh e a te n e r g y i ti so n eo f i m p o r t a n tw a y st o i n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f h e a te x c h a n g e rf o r i n v e s t m e n ts a v i n g ，e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dr a i s i n gp r o d u c t i o nc a p a c i t y h e l i c a lb a f f l e sh e a te x c h a n g e ri s ah i g he f f i c i e n c ys h e l l - - a n d - t u b ee x c h a n g e r d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nh y d r o d y n a m i ca n dh e a t t r a n s f e rs h o w e dt h a th e l i c a lb a f f l e sh e a te x c h a n g e ro f f e r st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：( 1 ) f l o wo ft h ef l u i di ns h e l l s i d ep r e s e n t sa p p r o x i m a t ep l u gf o r m ；( 2 ) t h ev e l o c i t yo ff l o w i su n i f o r m ；( 3 ) l e a k a g ea n db y p a s ss t r e a m sd e c r e a s e ；( 4 ) f l o ws t a g n a t i o nr e g i o n sa r e n o tt oe x i s t ，a sar e s u l ti tcane f f e c t i v e l yo f f e rag r e a t l yc o n v e r s i o no fa v a i l a b l e s h e l l s i d ep r e s s u r ed r o pt oh e a tt r a n s f e r i nt h i sp a p e r , w a t e r - w a t e ri ss e l e c t e da se x p e r i m e n t a lh e a tt r a n s f e rf l u i d ，t h eh e a t t r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo fh e l i c a lb a f f l e ss i n g l e t u b ee x c h a n g e rh a v e b e e ns t u d i e d t h et o t a lt e s tt u b e sa r es i x ，a m o n go n ei ss m o o t hc o p p e rt u b ew i t h 16 0 m mi no u t e rd i a m e t e r ，o t h e rf i v ea r ep e t a l s h a p e df i nt u b e st h a tm a d ef r o ms m o o t h c o p p e rt u b ew i t h1 6 0 m mi no u t e rd i a m e t e rw i t hd i f f e r e n tf i nh e i g h t s ( 1 o m m 、1 2 m m a n d1 5 m m ) a n df i np i t c h e s ( 0 8 m m 、1 o m ma n d1 2 m m ) t h et u b e s i d eh e a t c o e f f i c i e n t so f6 k i n d so fh e l i c a lb a f f l e ss i n g l e t u b ee x c h a n g e r sc a nb eo b t a i n e db yt h e m o d i f i e dw i l s o np l o t m e t h o d ，a n ds 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 sc a nb e c a l c u l a t e db yc o m b i n i n go v e r a l lh e a tc o e f f i c i e n tw i t ht u b e s i d eh e a tc o e f f i c i e n t s e p a r a t e d t h es h e l l s i d ep r e s s u r ed r o p sa r eo b t a i n e db yd i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ，a tt h es a m er e ，s h e l l s i d en uo fh e l i c a lb a f f l e s p e t a l - s h a p e df i nt u b es i n g l e t u b ee x c h a n g e r sa r ea b o u t2 - 4t i m e sa sl a r g ea st h a to f h e l i c a lb a f f l e ss m o o t ht u b es i n g l e t u b ee x c h a n g e lb u tp r e s s u r ed r o p sa r eo n l ya b o u t 1 4 1 8t i m e s ，i ti sp r o v e dt h a tp e t a l s h a p e df i nt u b eh a sv e r ys u p e r i o rp e r f o r m a n c eo f a b s t r a c t e n h a n c e m e n th e a tt r a n s f e r w i t h i nt h er a n g eo fe x p e r i m e n t ，i n c r e a s i n gf i nh e i g h to r d e c r e a s i n gs p a c i n go ff i n so fp e t a l s h a p e df i nt u b ei sh e l p f u lt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h ee x p e r i m e n t a le r r o ra n a l y s i ss h o w s ，t h e e x p e r i m e n t a le r r o ro fs 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 tg oi sl e s st h a n7 2 7 ，t h e e x p e r i m e n t a le r r o ro fs h e l l s i d ep r e s s u r ed r o pa pi sl e s st h a n1 5 4 i nt h i sp a p e r ，f l u e n t 6 0s o f t w a r ei su s e dt oc a r r yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o f l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dp r e s s u r ef i e l do fh e l i c a lb a f f l e ss m o o t ht u b e s i n g l e t u b ee x c h a n g e r ，a n dc o m p a r e sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm e a s u r e m e n to r c a l c u l a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h e yh a v eg o o dc o n s i s t e n te a c ho t h e r ，a n dv e r i f i e dt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr i g h t t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ，f l o wo ft h ef l u i d i ns h e l l s i d ep r e s e n t sh e l i c a lf o r m ，f l o ws t a g n a t i o nr e g i o n sa r en o tt oe x i s t ，a n dt h e v e l o c i t yo ff l o wi sm o r eu n i f o r m ，v e l o c i t yc h a n g ei ss m a l l ，t h u si th a sb e e np r o v e d f u r t h e rt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so fh e l i c a lb a f f l e se x c h a n g e rw h i c hm a n ys c h o l a r s h a v ea n a l y z e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h o nt h i sb a s i s ，i ta l s oi sc a r d e do nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oo n es e c t i o no fh e l i c a l b a f f l e s p e t a l s h a p e df i nt u b e s i n g l e t u b ee x c h a n g e r ，a n di tcanb es h o w e dt h a tt r e n do ff l o wo ft h em a i nf l u i d p r e s e n t ss t i l lh e l i c a lf o r m ，b u ts i z ea n dd i r e c t i o no fv e l o c i t yf i e l dc h a n g eg r e a t e r a r o u n df i n s ，i ti sp r o v e dt h a te x i s t e n c eo ff i n sd i s t u r bb o u n d a r yl a y e ro ff l u i da n d p r o m o t ei t ss e p a r a t i o na n dt u r b u l e n tm o t i o n ，t h u se n h a n c eh e a tt r a n s f e r k e yw o r d s ：h e l i c a lb a f f l e se x c h a n g e r p e t a l s h a p e df i nt u b e h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：乒辁暑日期：硼牛年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权华南理工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、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：涂涛 导师馘：碉 日期：2 r 9 年月上f e t 日期：聊乒年易月衫日 符号说明 符号说明 九 壳程水有效流通面积m 2 c 。 壳程热水定压比热j ( 姬o c ) c 。2管程冷却水定义比热j ( k g 。c ) 一传热管外径m d i 传热管内径m d n壳程螺旋流道水力直径m e u 流阻准数 f坯管外表面积m 2 h 压力计水的高度m h 螺旋隔板的高m h ” 螺旋流到流体截面短边边长m 置 总传热系数w m 2 k k 有效导热系数w m 2 k f 传热管长度m 肋努谢尔准数 p r 普朗特准数 q 总换热量w r 。 管壁热阻m 2 k i w r 。污垢热阻m 2 k i w t 水的温度o c “ 壳程水流速m s s螺旋流道润湿周长m v壳程热水体积流量m 3 s k管程冷却水体积流量m 3 s 希腊符号： p压力计水的密度k g m 3 届壳程热水密度k g m 3 岛管程冷却水密度k g m 3 p 壳程压降p a t 。对数平均温差o c 华南理工大学硕士学位论文 巩管程对流换热系数w m 2 k 壳程对流换热系数w m 2 k 下标符号： i 管内 “壳程进口 盛管程进口 0 管外 j d 壳程出口 2 0 管程出口 i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 能源是国民经济的基础，是综合国力的有机组成部分，也是经济社会全面、 协调可持续发展的一个重要的制约因素。一般说来，一个国家的国民生产总值和 它的能源消费量大致是成正比的。在现代化生产中，能源是主要动力来源，一些 发达国家之所以能够在短短几十年的时间里实现现代化，其中一个重要原因，就 是他们都致力于大规模地开发和利用能源。例如，美国、日本、德国、英国、法 国、意大利等工业发达国家的人口总和只占世界人口的1 5 ，而能源消费量却占 了能源总消费量的2 3 。而我国人均能源资源仅为世界平均的一半，但我国能源 利用效率只有3 5 ，远低于发达国家的5 2 ，同我国资源紧缺的状况已形成尖锐 的矛盾。2 0 0 3 年我国能源消费已经达1 6 8 亿吨标煤，成为仅次于美国的第二大 能源消费国；当年进口原油9 1 0 0 万吨，对外依存度已达3 6 ；估计2 0 2 0 年将达 6 0 7 0 ，成为影响国家战略安全的重要因素。因此，加大节能和提高能源利 用效率的力度以减少资源消耗和对进口的依赖，已是能源问题的第一要务。 管壳式换热器广泛应用于石油化工、能源动力、制冷、机械、冶金、建筑等 行业之中，它是一种重要的热能转换设备。其效率的高低，直接影响到热能的转 换效率和利用水平。在世界范围内，管壳式换热器的市场份额占整个换热器总量 的5 5 7 0 之间，这主要是因为管壳式换热器不但具有耐高温和高压的能力， 而且还具有结构简单、易于加工、清洗、选材及应用范围广、处理量大以及易实 现标准化等优点 1 - , 1 1 。但是在同等条件下，与其他结构的换热器比较，特别是板式 换热器，管壳式换热器又有换热效率低、体积大、传热系数不高、材料耗量大等 缺点。因此，改进和提高换热器的传热效率是节省投资、节约能源、提高生产能 力的重要途径。近年来推出的多种强化传热的研究成果为化工、石油等工业提供 了多种新型高效的传热设备，使大量余热得到充分回收和利用，强化传热技术与 高效换热设备已有广泛的应用并取得了较大的经济效益。 1 2 管壳式换热器强化传热研究 换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热 量达到最多。应用强化传热技术的目的是力图以最经济( 体积小、重量轻、成本低) 的换热器来传递规定的热量f ”。这就要求所研制的换热器，尽可能地节省资金、 能源和减少金属消耗及所占的空间。高效能管壳式换热器的研究主要集中在强化 管程和壳程两方面。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 1 管程强化传热 对于强化管壳式换热器管程的传热，主要是通过增加流体湍流度、扩展传热 面积和提高流体流速等方法实现1 6 。t ，综合起来，主要有在内表面加工凸肋或翅片 结构、在管内加插入物以及提高流速等方法。 ( 1 ) 、凸肋结构 这类传热元件主要是通过在传热管的内表面上机械加工出凸肋，以增强流体 的湍动强度，从而达到强化传热的目的。当前应用比较广泛的是螺旋槽管m i l l 、 横纹管和波纹管。 螺旋槽管( 见图1 1 ) 是由光滑管挤压而成，它不仅在管子内表轧出螺旋槽凸 肋，而且在管子外表面也轧出螺旋槽。流体流经这些螺旋槽凸肋时产生扰动，减 薄了管壁表面层流底层的厚度，提高了管程对流换热系数，同时螺旋槽凸肋能使 部分顺壁面轴向流动的流体产生轴向旋涡而引起边界层分离，使传热热阻减小。 螺旋槽管可用于强化管内单相流体的传热和相变传热m 一”。 横纹管( 见图1 2 ) 通常是由光滑管经滚轧加工成的，其外壁上有沿轴向间 隔的环形槽，内壁则由于外壁环形槽向内扩展而出现对应的环状凸出，使沿内管 壁流动的流体产生边界层分离流，促进了流体的紊流强度，增加了流体边界层的 扰动，从而强化了管内的传热。与螺旋槽管一样，它也可用于管内单相及相变传 热强化。在单相传热过程中，在相同条件下，压降较螺旋槽管j x t 9 ，2 0 1 。 波纹管( 见图l 一3 ) 是用普通无缝薄钢管经过特殊加工而成的，外形像糖葫 芦一样，管内流体在低流速的情况下呈湍流状态，也可用于管内单相流体的传热 强化【2 i 。2 3 1 。 ( 2 ) 、翅片结构 这类传热元件主要是在传热管内表面通过机械加工出内翅片，以增加传热管 的传热面积，同时还能使流体在较低流速下达到紊流。目前主要有二维和三维内 翅片管，如图1 4 所示。它们也能显著地强化管内单相及相变传热 2 4 2 5 1 。 图l 一1 螺旋槽管实物图 f i g 1 - ls p i r a lg r o o v e dt u b e 第一章绪论 图1 2 横纹管实物图 f i g 1 - 2t r a n s v e r s et h r e a dt u b e s 图1 3 波纹管结构示意图 f i g 1 3s t r u c t u r eo fc o r r u g a t e dt u b e 图1 4 内翅片管实物图 f i g 1 - 4i n n e rf i n n e dt u b e s ( 3 ) 、插入物 在低雷诺数或高粘度流体传热工况下，管内插件对强化气体、低雷诺数流体 或高粘度流体的传热会起到较好的效果。管内插件( 图1 5 ) 的形式可大致分为 三类：强化旋流，如纽带和半纽带形式；促进湍流，如螺旋线、片条、斜环片等 华南理工大学硕士学位论文 形式：置换型强化器，包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。但是采用 管内插入物在强化传热时，存在流动压降变大，易产生污垢等缺点。因此，这种 方法研究的关键是要找出一种既可提高传热系数，而压强增加又不大的内插物。 许多学者对管内插入物的传热强化进行了大量的研究f 2 6 ，2 7 1 。 图1 5 管内插入物 f i g 卜5i n s e r ti nt u b e ( 4 ) 、提高流体的流速法m ， 提高流速实质就是增加流动湍流度，这种方法最为简单直观，但是流动压降 与流速的平方成正比例的关系，因此采用流速的提高也是有限度的。 1 2 2 壳程强化传热 强化换热器壳程传热的方法包括改变传热管外表面结构和管间支撑结构。传 热管外表面的改变主要是在其夕 表面上加工出沟槽和翅片。 ( 1 ) 、管外传热强化 外表面有沟槽的传热管主要包括螺旋槽管和横纹管。螺旋槽管和横纹管对管 外蒸汽冷凝，强化效果非常明显，主要机理是沟槽使液膜和气膜层产生旋流，破 坏了气膜层的稳定。同时，冷凝液在槽内由于重力分力和表面张力作用在气液相 界面剪切力的作用下使冷凝液迅速流向沟槽，从而减薄了液膜的边界层厚度“”。 外翅片管主要包括二维的翅片管( 如低肋管，见图1 6 ) 和三维的翅片管( 如 花瓣管，见图1 7 ) 。它们强化传热的机理主要是能有效地扩展换热面积。它 们均可用于单相及冷凝传热强化 3 1 ，3 2 1 。 图1 6 低肋管 f i g 1 6l o w f i nt u b e 4 第一章绪论 图1 7 花瓣管 f i g 1 - 7p e t a l s h a p e df i nt u b e ( 2 ) 、管间支撑结构 传统的管壳式换热器大多采用弓形隔板支撑，这种形式存在以下缺点：流体 在壳程呈“z ”形流动，流体的流动见图1 8 所示。这种流动造成在隔板和管壁相 连处存在流动死区，导致传热系数下降；流体在弓形隔板间分离所引起动量的急 剧变化而造成了压力的严重损失；在隔板与壳体或( 和) 管之间旁路流和泄漏流 现象严重而降低流体的有效质量流速。为了克服以上缺点和改善流体在壳程的传 热性能，逐渐发展出了一些新的管间支撑结构。当前比较优越的管问支撑结构形 式主要有折流杆、螺旋扁管自支撑和螺旋隔板。 图1 8 弓形隔板换热器流态图 f i g ，1 - 8f l o wp a t t e r no fh e a te x c h a n g e rw i t hs e g m e n t a lb a f f l e s 折流杆换热器是美国菲利蒲公司7 0 年代为减小天然气流体诱导振动而研制 出一种以折流杆代替折流板的换热器。折流杆管间支撑结构见图1 9 。每一折流 杆单元主要包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆 端均焊接在折流圆环上，折流杆组由四种不同布置方式的折流杆构成，并由支撑 杆建立无阻碍的流道，形成了以纵向为主的流通区，因而有良好的热力一水力性 能。因壳程具有与管程流动基本相同的对流传热机理，加上支撑杆形成的涡流流 动和折流环区的文丘里效应，所以热力性能优异；又因壳程不存在横向流通的阻 华南理工大学硕士学位论文 力，也无来回流动的反向效应，故其壳程压降也较低一3 3 。折流杆换热器可应用于 单相、沸腾和冷凝各种工况m ，。 图1 9 折流杆管间支撑结构 f i g t - - 9t u b es u p p o r ti nb a f f l ed e s i g n 另一种纵向流换热器是螺旋扁管换热器，它是由圆管轧制或椭圆管扭曲成具 有一定导程的螺旋扁管组成，其壳程内相邻管长轴处的点接触支承管子，省掉了 折流板。壳程流体受离心力作用而周期性改变流速和流动方向，加强了流体的轴 向混合。同时，流体经过相邻管子的螺旋线接触点后形成脱离管壁的尾流，增加 了流体自身的湍流度，破坏了流体在管壁上的传热边界层，从而强化传热”。螺 旋扁管换热器的流动特点见图1 1 0 。螺旋扁管换热器也可应用于单相、沸腾和 冷凝各种工况【3 6 q8 1 。 图1 一1 0 螺旋扁管换热器的流态图 f i g 。l 一1 0f l o wp a t t e r no f t w i s t e dt u b e sh e a te x c h a n g e r 纵向流型换热器的缺点是因壳程流速的限制而影响传热性能的进一步提高， 为此，a b b 公司开发出了最为优越的螺旋隔板换热器，而且它已经应用于石油化 工生产装置的换热过程中，取得了良好的经济效益。其设计原理是：将圆截面的 特制板安装在“虚拟螺旋折流系统”中，每块折流板占换热器壳程中横剖面的 1 4 ，倾角朝向换热器的轴线，与换热器轴线保持一倾斜度，这种独特的设计避免 了流体的流动死区和返混，大大的提高了换热器的换热效率。螺旋隔板按结构的 不同分为；单螺旋隔板和双螺旋隔板。其中单螺旋隔板可以分为如图1 1 1 、图1 第一章绪论 一1 2 所示的两种结构，后者是螺旋隔板轴向重叠。双螺旋隔板结构见图1 1 3 所 示”。螺旋隔板换热器流态见图1 1 4 。螺旋隔板换热器的主要优点有： ( 1 ) 介质在壳体内连续平稳螺旋流动，避免了横向折流产生的严重压力损失，因 而压降低。 ( 2 ) 同弓形隔板相比，在同样的压降下，可大幅度提高壳程介质的流速，从而提 高r e ，使介质传热能力增大。 ( 3 ) 壳程内流体螺旋前进，因而在径向截面上产生速度梯度，形成径向湍流，使 换热管表面滞留底层减薄，有利于提高膜传热系数。 ( 4 ) 同横向折流方式相比，不存在死区，在提高换热系数的同时，减少污垢沉积， 热阻稳定，可使换热器一直处于高效运行状态。 ( 6 ) 螺旋隔板对换热管的约束要强于弓形隔板，减少了管束振动，延长设备的运 行寿命。 ( 6 ) 在进行冷凝换热时，螺旋隔板可以起到对冷凝后的液体引流作用，减少了冷 凝液体对下排管覆盖，从而提高换热效果。 _ ty _ 5 - l 觚人入 3 、 一i 折沉扳可距p 删b 图1 1 1 连续单螺旋隔板示意图 f i g 1 1 1s t r u c t u r eo f c o n t i n u o u ss i n g l eh e l i c a lb a f f l e s 图1 1 2 轴向重叠单螺旋隔板示意图 f i g 1 - 12s t r u c t u r ea x i a lo v e r l a ps i n g l eh e l i c a lb a f f l e s 华南理工大学硕士学位论文 图1 1 3 双螺旋隔板示意图 f i g 1 1 3s t r u c t u r eo fd o u b l eh e l i c a lb a f f l e s 图1 1 4 螺旋隔板换热器流态图 f i g 1 - 1 4f l o wp a t t e ro fh e l i c a lb a f f l e se x c h a n g e r 自国外学者j l u t u h a 和j n e m c a n s k y 首先提出使壳程流体作螺旋流动可以 强化换热器壳程的传热以来“0 1 ，人们就开始对螺旋隔板换热器的传热性能进行了 一系列的研究，综合起来主要包括两个方面：流体动力学研究、传热与压降性能 研究。 1 流体动力学研究 为了考察螺旋折流板换热器流体动力学方面的优越性，并进而解释其对传热 强化的重要意义，王承阳等对螺旋隔板换热器进行了冷态流动实验研究，通过在 弓形隔板换热器和螺旋隔板换热器中注入碎屑来观察流体的流动情况，在弓形隔 板换热器中观察到流体呈“z ”形流动，碎屑在弓形隔板的根部打转，并有聚集成 团的趋势，表明存在死区和返混；在螺旋隔板换热器中清楚地观察到流场呈螺旋 形，没有像弓形隔板那样明显的死区和返混混现象。同时，还对弓形隔板换热器 和螺旋隔板换热器的压降进行了比较，结果发现在流量相同的条件下，螺旋隔板 换热器的总压降降低了2 0 9 6 左右【4 ”。 王树立等对3 0 。，3 5 。，4 0 。，4 2 。，4 5 。，5 0 。六种螺旋角的换热器流动特 性进行了对比实验研究，流速用激光测速仪测定。实验研究了螺旋角对速度分布 第一章绪论 和对脉动速度的影响，同时还分析了速度分布对换热性能及阻力的影响。实验结果 表明，在一般情况下，随着螺旋角的减小，切向速度分量增大，脉动速度也相应 增大，有利于换热，但螺旋角减小，流动损失也随之增加；流量增加使速度沿径向 分布趋于均匀1 4 2 - 。 d k r a l 等也对螺旋隔板换热器的流体动力学进行了研究，并通过对多种类型 的换热器进行流态跟踪实验，结果显示，螺旋隔板换热器的返混区和死区最小； 此外，还研究了不同螺旋角的换热器的换热效率与流阻的关系，结论是随着螺旋 角的增大，特别是在2 5 。4 0 0 ，换热效能增加，在螺旋角为4 0 0 时，传热与流阻性 能达到最优，超过这个角度传热与流阻性能降低 4 3 一。 2 传热与压降性能研究 d k r a l 等研究了不同螺旋角的换热器的传热与压降性能，结果表明，在相 同的压降条件下，螺旋隔板换热器的总传热系数比弓形隔板换热器大，螺旋角为 4 0 0 的螺旋隔板换热器的传热与流阻性能最好 4 3 】。 陈世醒等对高粘度流体( 重油一水换热) 在螺旋隔板换热器和普通弓形隔板换 热器的传热和流阻进行了对比实验研究，结果表明，流量在5 3 8 6 1 2 7 l m 3 h 范 围时，普通弓形隔板换热器壳程对流传热系数比螺旋隔板换热器的壳程对流传热 系数增大3 6 3 2 ，而阻力提高1 5 一9 3 。虽然普通弓形隔板能得到较高的对 流传热系数，但付出的代价是过高的能量损失，而螺旋隔板由于提供螺旋通道， 虽然湍动程度有所下降，导致壳程对流传热系数略有下降，但壳程阻力却大大降 低。综合效果来看，相同流量下螺旋隔板换热器壳程的以，p 是普通弓形隔板换 热器的1 5 倍左右m ，。此外，张克铮等对低粘度流体( 水一水换热) 的传热和流阻 中试实验，结果表明，流量在5 1 0 m 3 h 范围内，弓形隔板换热器在流量上限阻 力增加的百分率可达3 5 0 ，而对流传热系数仅增加9 0 ，在下限流量，阻力增 加1 4 8 ，而对流传热系数几乎不增加。综合效果来看，相同流量下螺旋隔板换 热器壳程的以p 是普通弓形隔板换热器的2 4 倍左右】。 王良等分别对螺旋角为1 0 。和1 5 。的换热器加和不加阻流板进行了换热与阻 力性能实验研究，实验结果表明加阻流板后并未明显改善换热器的换热性能，相 反，使其沿程阻力压降大幅度上升“m 。 k r i s h n a nc h u n a n g a d 等研究了螺旋角对换热器的传热与流阻的影响，结果表 明，在螺旋角小于4 0 0 时，特别是螺旋角在2 5 0 4 0 0 范围内，换热效率随着螺旋 角的增加而增加，当超过4 0 0 时，换热效率迅速下降。同时，还对弓形隔板光滑 管换热器、弓形隔板低肋管换热器以及螺旋隔板低肋管换热器应用于气体冷却、 冷凝器、油冷却器中的传热和流阻性能进行对比实验。气体冷却实验结果表明， 在相同换热量条件下，弓形隔板低肋管换热器的坯管表面积是弓形隔板光滑管换 热器的6 3 ，两者压降一样，而螺旋隔板低肋管换热器的坯管表面积只有弓形隔 牮南理工大学硕士学位论文 板光滑管换热器的4 7 ，压降也只有弓形隔板光滑管换热器的5 0 ；冷凝器实验 结果表明，在相同的换热面积条件下，弓形隔板低肋管换热器的换热量是弓形隔 板光滑管换热器的1 5 倍，而螺旋隔板低肋管换热器的换热量是弓形隔板光滑管 换热器的1 6 3 倍，弓形隔板低肋管换热器和螺旋隔板低肋管换热器的压降均是弓 形隔板光滑管换热器的1 4 9 倍；油冷却器实验结果表明，在相同换热量条件下， 弓形隔板低肋管换热器的坯管表面积是弓形隔板光滑管换热器的9 0 ，压降是弓 形隔板光滑管换热器的2 倍，而螺旋隔板低肋管换热器的坯管表面积是弓形隔板 光滑管换热器的6 7 ，压降与弓形隔板光滑管换热器的一样 4 7 1 。 曾文良等以压缩空气为介质，分别对螺旋隔板花瓣管换熟器和螺旋隔板低肋 管换热器的传热与流阻进行了对比实验研究，研究结果表明在同等的换热量下， 螺旋隔板花瓣管的气侧传热系数比螺旋隔板低肋管换热器高出2 0 5 0 ，其压 力损失比螺旋隔板低肋管换热器低3 0 4 0 t s 1 。 张正国等对螺旋隔板花瓣管和螺旋隔板低肋管润滑油冷却器的传热和压降性 能进行了实验研究和理论分析，研究结果表明，在相同油体积流量下，螺旋隔板 花瓣管油冷却器的总传热系数比螺旋隔板低肋管油冷却器提高1 0 以上，同时压 降也降低4 6 左右。与文献【4 9 】值比较，相同油压降下，螺旋隔板花瓣管油冷却 器的总传热系数是目前常用的普通弓形隔板光滑管润滑油冷却器的4 5 倍m 1 。 陈海波等对替代制冷工质r 4 0 7 c 在螺旋隔板花瓣管冷凝器和螺旋隔板低肋 管冷凝器中的传热性能进行了对比实验研究和理论分析。结果表明，螺旋隔板花 瓣管冷凝器具有十分优越的强化传热性能，在相同的热流密度下，螺旋隔板花瓣 管冷凝器的总传热系数是螺旋隔板低肋管冷凝器的1 2 5 1 7 倍，是板式冷凝器 的1 3 5 2 1 倍；螺旋隔板低肋管冷凝的总传热系数也为板式冷凝器的1 1 1 2 5 倍【5 i 】。 1 3 数值模拟在换热器中的研究现状 换热器的传统研究主要是实验方法，但对新型管束支撑结构的换热器进行实 验研究时，用实验方法根本无法从微观上看到结构对流体流动和传热的影响。因 此，虽然实验研究直观、，真实、可靠，但由于受到实验条件、实验模型、结构参 数、测量精度、实验周期及费用等因素影响，从而制约了换热器性能完善和新型 结构的开发。详细、准确地预测换热器流体的流动、传热特性对设计经济和可靠 的换热器以及评价现有管壳式换热器的性能十分必要。由于结构复杂的换热器， 流动和传热的影响因素很多，流动形态也很复杂，因而数值模拟的研究方法无疑 为经济、安全地设计、评价和改造换热器提供了一种强有力的手段 5 2 ，。 随着计算机技术的提高以及计算流体力学和数值传热学的蓬勃发展，数值模 1 0 第一章绪论 拟在换热器研究中占有越来越重要的地位。近年来，在换热器数值模拟方面也取 得了大量成果和进展。黄兴华等对管壳式换热器壳程单相流动和传热进行三维数 值模拟。用体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源来考虑壳程复杂几何 结构造成的流道缩小和流动阻力、传热效应，通过数值求解平均的流体质量、动 量、能量守恒方程，得到壳程流动和换热的分布。模拟结果和实验结果吻合良好 1 5 3 。此外，黄兴华等还对换热器壳程紊流流动特性进行了数值研究，结果表明， 数值模拟的压力分布和实验值吻合良好，该模型能有效地模拟管壳式换热器壳程 流动特性1 5 4 1 。聂建虎等为了确认换热器封头中挡板的存在对出口管嘴中流场均匀 性的影响，对封头及出口管嘴中的流场进行了数值模拟。模拟过程中不考虑体积 多孔度，采用k - s 两方程模型，利用区域扩充法来模拟复杂的几何形状，并作了 耦合计算，对流体区域内的阶梯形固体边界用壁面函数法处理。模拟了r e 从1 0 4 1 0 7 范围的一系列工况，处理得到了流经出水管段阻力系数等一些重要数据，并分 析了入口挡板对出水管中流场均匀性的影响1 5 5 1 。吴金星等采用计算流体力学和数 值传热学方法，对纵流式换热器的运行工况进行了简化和假设，建立了壳程层流 流动与传热的数学模型，用算子分裂法和二阶时间精度离散格式等改进算法，用 三维等参单元导出了离散化非线性控制方程组，编制了数值模拟程序。对纵流式 换热器壳程的流场和温度场进行了数值模拟研究，得到换热器内流体流动状态和 热流分布，并分析了支撑结构的参数变化对流体流动和传热的影响。数值计算结 果和实验数据吻合较好，该模型能有效地模拟纵流式换热器壳程流动与传热特性 【56 1 在数值模拟过程中，为了省却科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方 面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索 上，国外已开发出p h o e n