螺旋折流板換熱器傳熱和流動性能分析

寧靜

中國石化工程建設有限公司 北京 100101

在化工裝置中管殼式換熱器型式眾多，當殼側流體流量大且壓降限制嚴格時，通常會采用雙弓形折流板形式。但是雙弓形折流板在支撐結構和流動方式上存在諸多缺陷：殼側流動存在沖刷不充分的流動死區、死區內局部換熱系數低，殼側整體換熱不均勻，同時死區容易結垢，威脅換熱設備的安全運行[1]。為了提高殼側單位壓降下傳熱和避免殼側由于沉積污垢造成的腐蝕泄漏，工業應用中越來越多的采用螺旋折流板代替殼側弓形折流板，使殼側在螺旋折流板引導下形成復雜的螺旋流形態，提高管束間的流速、實現殼體橫向截面流體充分混合同時殼側壓降不增加，從而達到強化傳熱的目的[2]。

工程應用中最多采用的為四片式螺旋折流板結構，見圖1，螺旋折流板一個螺旋節距的長度上是由四片式扇形板片按一定的安裝傾角上、下、左、右交錯排列而成，再用定距管將其定位，使其形成螺旋狀[3]。但是四片式螺旋折流板結構為非連續螺旋折流，中間相鄰板片間會出現三角形的漏流區，嚴重削弱了傳熱能力[4]。針對四片式螺旋折流板三角區短路漏流的缺點，中國石化工程建設公司聯合撫順化工機械設備制造有限公司和遼寧石油大學提出了一種新型的六片式螺旋折流板換熱器型式，并獲得專利授權[5]。

圖1 四片式螺旋折流板

圖2 六片式螺旋折流板

1 模型設置

1.1 幾何模型

三維數值模擬用SolidWorks分別建立尺寸180x1200mm下六片式螺旋折流板、四片式螺旋折流板和雙弓折流板結構，設備型式BEM，水平安裝，10mm換熱管，正方形布管，換熱管間距13mm，布108根換熱管，換熱器所有材質均采用碳鋼。雙弓折流板結構采用16塊折流板，間距60mm。六片式螺旋折流板和四片式螺旋折流板都采用10度螺旋角，搭接度42%[6]。

由于管束元件較多，內部結構復雜，本文對換熱器的結構進行適當簡化如下：

（1）認為換熱管與折流板、筒體與折流板和管束與殼體都為緊密切合，忽略流體通過縫隙滲透的現象。殼體及折流板均設置為絕熱的無滑移不可滲透壁面。

（2）只保留由換熱管、折流板、管板和筒體等與傳熱和流動相關的主要換熱結構，忽略擋管和滑道等次要結構。

根據所選用換熱器的基本參數、流動特性和研究的目的，本文對計算模型簡化如下：

（1）殼程流體為不可壓縮流體；

（2）計算過程中忽略自然對流及熱輻射效應；

（3）忽略重力對殼程流動的影響。

1.2 模型工藝參數

殼側介質和管側介質都為水，物性為常溫下水的標準參數，工藝參數見表1。

表1 工藝參數

管殼側流體入口采用流量入口；出口采用壓力出口。由 Fluent 報告獲得出口溫度、壓力降、傳熱量等參數。

2 數值模擬結果及其分析

本文截取殼側CFD云圖直觀獲取殼側流體在不同折流板形式下傳熱性能和流動狀態，并進行比較。

2.1 質點跡線對比

圖3和圖4為三種折流板結構下殼程流體質點沿軸向方向流線圖和速度矢量圖。從圖3和圖4看出，六片式螺旋折流板螺旋流動優于四片式螺旋折流板，雙弓折流板在折流板背面存在明顯的死區。

圖3 不同結構換熱器殼程流線圖

圖4 不同結構換熱器殼程速度矢量圖

圖5為換熱器殼程在第六塊折流板處橫截面速度分布云圖。螺旋折流板整體看，呈現出一定的旋轉流動，整體看橫截面速度比較均勻，不存在流動死區。圖5可以看出優化的六片式螺旋折流由于螺旋狀推進的渦旋狀減少流體返混和降低速度梯度。螺旋折流板漏流對流體流速的影響會沿著軸線方向不斷減小，流體流速趨于穩定[7]。在相同殼側質量流量和殼直徑下，雙弓形折流板整體速度最低，在靠近殼側內壁區域存在比較明顯的低速區，而在弓型折流板窗口區域存在明顯速度增加，橫截面速度變化明顯，傳熱效果相對差。從圖5可以看出六片式螺旋折流板邊緣速度最大，因此有利于沖走沉積在殼側底部的污垢，換熱器自清潔效果最佳。

圖5 不同結構換熱器殼程橫截面速度分布云圖

2.2 溫度分布對比

圖6為縱截面溫度場分布圖。殼側流體為被加熱過程，由圖6可以看出六片式螺旋折流板殼側出口溫度高于四片式螺旋折流板結構，溫度均勻分布性優于四片式螺旋折流板結構；雙弓形折流板出口溫度最低，且殼側流體分布均勻最差。

圖6 不同結構換熱器殼程縱截面溫度分布圖

2.3 傳熱系數分布對比

六片式螺旋折流板殼側殼側傳熱系變化均勻，殼側流體在折流板的作用下，整體呈現出近似螺旋柱塞流動。六片式螺旋折流板交錯搭接，減少了三角區漏流面積，相比于四片式螺旋折流板更接近連續螺旋流，所以綜合傳熱性能好于四片式螺旋折流板。雙弓型折流板殼側傳熱系數變化梯度大，主要原因弓形折流板的傳熱系數中流體呈“Z”形流動，流動方向發生急劇改變增大了流體的湍流混合，造成雙弓折流板流動背面存在死區和殼側流動不均勻。

3 冷膜實驗結果及其分析

冷模實驗平臺主要由殼體、管束模型、貯水罐、水泵、進出口管線、比例閥、流量傳感器、壓力傳感器、電磁閥及數據采集系統及控制系統組成。冷膜實驗采用的設備尺寸和流體工藝條件同CFD模擬，通過驗平臺，取五組流量測量六片式螺旋折流板換熱器、四片式螺旋折流板換熱器和雙弓型換熱器的壓降。

為了標定測量是否正確，通過傳熱軟件對雙弓折流板進行壓降計算。可以看出雙弓折流板CFD殼側壓降模擬值與傳熱軟件計算值誤差約為10%，雙弓折流板殼側壓降實驗測量值與與傳熱軟件計算值誤差約為15%，CFD殼側壓降模擬值和實驗測量值與軟件計算偏差在合理范圍內，證明本次驗證數據的可靠性。從圖8可以看出三種折流板形式下殼側測試壓降均勻高于模擬壓降，主要是CFD模擬中忽略殼側漏流影響，殼側主要漏流為換熱管與折流板的漏流，折流板與殼內徑漏流和換熱管束與殼內徑之間的漏流。實驗測試結果顯示六片式螺旋折流板壓降比四片式螺旋折流板壓降高5%。本實驗殼側流體速度為0.05～0.16m/s，殼側流體雷諾數范圍1000～3000之間，殼側流動基本為層流，在此范圍內螺旋折流板強化殼側流動分布均勻，同時壓降增加并不顯著。

4 結束語

利用數值模擬軟件對六片式螺旋折流板換熱器、四片式螺旋折流板換熱器和雙弓型換熱器殼側流動分布、壓降和傳熱性能進行比較研究，并結合冷膜實驗進行對比分析，得出如下結論：

（1）換熱器尺寸和殼側質量流量相同條件下，殼程壓降最大的是雙弓型換熱器，其次六片式螺旋折流板換熱器，最低為四片式螺旋折流板換熱器。

（2）換熱器尺寸和殼側質量流量相同條件下，六片式螺旋折流板傳熱系數最高，其次為四片式螺旋折流板，最低為雙弓型換熱器。

（3）單位壓降下的綜合傳熱性能從高到低依次為：六片式螺旋折流板換熱器，四片式螺旋折流板，雙弓型換熱器。

（4）本文采用冷膜實驗研究在層流狀態下的殼側流動規律，冷膜實驗與CFD得出相同結論，即螺旋折流板形成平穩螺旋流，實現壓降不增加，但是可以提高流速的可能性。

（5）螺旋折流板的傾斜結構，可以防止殼側污垢的沉積，熱阻穩定性增加，單位壓降下的傳熱效率不降低，使換熱器長期運行在高效狀態，達到了節能的目的。

管殼式換熱器在許多場合采用螺旋流的螺旋折流板代替傳統的弓形折流板，總體理論分析可以減少設備尺寸，降低殼側容易結垢流體的沉積，避免由于殼側存在死區造成的換熱器泄漏風險，提高設備的操作周期。通過本文的研究證實螺旋折流板換熱具有很好的傳熱效果，特別是本文研究的六片式螺旋折流板換熱器，尤其適用于壓力降或污垢熱阻限制比較嚴格的場合，以及流體誘導振動比較嚴重的場合[8]。