不同折流板的管殼式換熱器流動(dòng)換熱性能試驗(yàn)研究

任智宏,王斯民,陳 強(qiáng)

(1.中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3.中石化煉化工程集團(tuán)洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱器之一，占世界總換熱器數(shù)量的35%～40%[1-3]，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易制造，操作條件靈活及易清洗維護(hù)。換熱器中不同的折流板對(duì)管束的支撐作用不同，導(dǎo)致在殼程內(nèi)流動(dòng)的流體分布不同，流體的流動(dòng)特性對(duì)換熱器內(nèi)部構(gòu)件的抗磨損和防腐蝕性能也有一定影響。弓形折流板換熱器是傳統(tǒng)的管殼式換熱器，隨著工業(yè)發(fā)展和換熱器設(shè)計(jì)理論的成熟，不斷對(duì)折流板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。有研究者提出了一種殼程為螺旋流動(dòng)的螺旋折流板換熱器[4]，典型的為四板型搭接結(jié)構(gòu)，在一定程度上對(duì)抑制換熱器內(nèi)部結(jié)垢和腐蝕有一定好處；但是該螺旋折流板相鄰板有一個(gè)快速流道區(qū)域，會(huì)降低殼程的流動(dòng)傳熱性能。西安交通大學(xué)王斯民等[5]提出了一種先進(jìn)的折面螺旋折流板換熱器，可有效減小漏流區(qū)，提高換熱效率，改善換熱器內(nèi)部流型，避免局部結(jié)垢，減緩換熱器內(nèi)部腐蝕。

通過(guò)試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了相同板間距或螺距的弓形折流板換熱器、平面螺旋折流板換熱器及折面螺旋折流板換熱器的壓力降、總傳熱系數(shù)和綜合性能，分析改進(jìn)折流板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱效果，同時(shí)減小漏流區(qū)，優(yōu)化換熱器殼程的流型，減小殼體內(nèi)流體對(duì)換熱器內(nèi)部構(gòu)件的沖擊，降低內(nèi)部結(jié)垢和局部腐蝕。

1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)以相同板間距或螺距的弓形折流板換熱器、平面螺旋折流板換熱器及折面螺旋折流板換熱器為研究對(duì)象，對(duì)比換熱器改進(jìn)前后的流動(dòng)傳熱性能。試驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成，分別是管程水路循環(huán)、殼程油路循環(huán)及測(cè)試系統(tǒng)。殼程介質(zhì)為昆侖L-QC310導(dǎo)熱油，殼程循環(huán)從膨脹槽開(kāi)始，泵送至電加熱器加熱，然后進(jìn)入換熱器；管程循環(huán)從水箱開(kāi)始，通過(guò)水泵進(jìn)入換熱器與導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換；殼程出口被冷卻的導(dǎo)熱油回到電加熱器前端進(jìn)行循環(huán)，管程出口被加熱的冷卻水進(jìn)入冷卻塔冷卻流回水箱。圖1和圖2分別為試驗(yàn)系統(tǒng)流程示意圖與試驗(yàn)臺(tái)布置圖。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)布置

3 結(jié)果分析與討論

3.1 壓力降

圖3和圖4分別為三類(lèi)換熱器的殼程總壓力降和純管束壓力降隨殼程體積流量的變化圖。從圖3和圖4可以看出：殼程總壓力降和純管束壓力降均隨著殼程體積流量的增加而增加，相同殼程體積流量下，弓形折流板換熱器內(nèi)壓力降最大，折面螺旋折流板換熱器次之，平面螺旋折流板換熱器最小。當(dāng)殼程體積流量為10～18 m3/h時(shí)，平面螺旋折流板換熱器的總壓力降和純管束壓力降比弓形折流板換熱器分別降低了36.4%～41.1%和59.3%～70.3%；而折面螺旋折流板換熱器的總壓力降和純管束壓力降比弓形折流板分別降低了13.7%～20.1%和23.3%～43.1%。分析表明：因?yàn)樵跉こ绦纬陕菪?，采用平面螺旋折流板換熱器和折面螺旋折流板換熱器能有效降低換熱器內(nèi)的壓力降；而折面螺旋折流板換熱器內(nèi)壓力降比平面螺旋折流板換熱器內(nèi)壓力降大，這是由于封堵三角漏流區(qū)，減小了流體的流通截面，阻力增加。

圖3 殼程總壓力降隨體積流量的變化

圖4 純管束壓力降隨體積流量的變化

3.2 總傳熱系數(shù)

圖5為三類(lèi)換熱器的總傳熱系數(shù)隨殼程體積流量的變化圖。從圖5可以看出：總傳熱系數(shù)隨著殼程體積流量的增加而增加，相同殼程體積流量下，折面螺旋折流板換熱器的總傳熱系數(shù)最大，平面螺旋折流板換熱器的總傳熱系數(shù)最小。當(dāng)殼程體積流量為10～18 m3/h時(shí)，折面螺旋折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比弓形折流板換熱器提升了1.9%～7.2%，而平面螺旋折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比弓形折流板換熱器降低了6.8%～10.3%。分析表明：折面螺旋折流板換熱器較平面螺旋折流板換熱器能顯著提升總傳熱系數(shù)，這是因?yàn)榉舛铝苏哿靼迮c殼體的外漏流區(qū)，流速增大，且流體集中流過(guò)換熱管中心區(qū)，換熱增強(qiáng)；而平面螺旋折流板換熱器的總傳熱系數(shù)比弓形折流板換熱器低，說(shuō)明采用平面螺旋折流板換熱器主要是降低壓力降，減小泵功，其對(duì)換熱器傳熱性能有一定的負(fù)面影響。

圖5 總傳熱系數(shù)隨體積流量的變化

3.3 綜合性能指標(biāo)

圖6為三類(lèi)換熱器綜合性能指標(biāo)(Nus·f-1/3)隨殼程體積流量的變化圖。從圖6可以看出，Nus·f-1/3隨著殼程體積流量的增加而增加，并且相同殼程體積流量下，平面螺旋折流板換熱器和折面螺旋折流板換熱器的Nus·f-1/3均比弓形折流板換熱器大。當(dāng)殼程體積流量為10～18 m3/h時(shí)，折面螺旋折流板換熱器的Nus·f-1/3比平面螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器分別提升了3.8%～5.7%和82.7%～95.5%。分析表明：相同板間距或螺距的三類(lèi)換熱器，改進(jìn)后的折面螺旋折流板換熱器的綜合性能最佳，雖然平面螺旋折流板換熱器總傳熱系數(shù)不高，但其壓力降相比弓形折流板換熱器有顯著降低，故其綜合性能也比弓形折流板換熱器好。

圖6 Nus·f -1/3隨體積流量的變化

折面螺旋折流板換熱器綜合性能提高，壓力降也相對(duì)較小，說(shuō)明折面螺旋折流板換熱器內(nèi)部流動(dòng)沿程阻力和局部阻力較小。流動(dòng)順暢，沖擊較小，局部結(jié)垢和局部腐蝕就會(huì)減弱，有利于換熱器長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié) 論

基于試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)比分析了相同板間距或螺距的弓形折流板換熱器、平面螺旋折板換熱器及折面螺旋折流板換熱器的流動(dòng)傳熱性能，可得出如下結(jié)論：

(1)三類(lèi)折流板換熱器隨著殼程體積流量的增加，壓力降逐漸增大，總傳熱系數(shù)提升，綜合性能指標(biāo)Nus·f-1/3提高。

(2)弓形折流板換熱器壓力降最大，折面螺旋折流板換熱器次之，平面螺旋折流板換熱器最小，但折面螺旋折流板換熱器殼程流型更加穩(wěn)定，對(duì)阻垢和防腐蝕更有利。

(3)總傳熱系數(shù)由大到小的排列順序?yàn)椋赫勖媛菪哿靼鍝Q熱器、弓形折流板換熱器、平面螺旋折流板換熱器。

(4)折面螺旋折流板換熱器綜合性能指標(biāo)最好，比平面螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器分別提升了3.8%～5.7%和82.7%～95.5%，同時(shí)流體流型均勻連續(xù)，基本不存在局部突變，防止形成局部的漏液和死區(qū)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部防結(jié)垢和防腐蝕更加有利。