在石油、化工、动力、冶金、能源等工业部门中常常涉及诸多的传热问题,列管式换热器是当前工业生产中应用最广泛的传热设备。与其它类型的换热器相比,其主要优点是单位体积所具有的传热面积大及传热效果好。加之结构简单、制造所需的材料范围广、操作弹性较大等,因此在化学工程领域中得到越来越广泛的应用。
为了加大壳程流体的速度,使湍动程度加剧以提高壳程传热膜系数,通常要在列管式换热器的壳程安装折流板,最常见的是圆缺形挡板。流体在装有圆缺形挡板的壳体内曲折流动时,方向和速度不断改变,特别在折流板边缘处易产生流体分离。由于在弓形板与壳体间存在着流动死区,流体在折流板中反复地叉流运动,降低了传热推动力,若想获得较高的传热性能,只有减小弓形板的间距,这必然会伴随着较高的流动阻力,以较高的能耗为代价。因而迫切需要改变这种传统的折流板形式。 |
图1弓型折流板换热器壳侧流动示意图 |
螺旋折流板换热器由于其独特的优点而成为理想的替代产品。螺旋折流板换热器就是用连续螺旋状的支撑板支持换热管，使壳程介质从壳程入口进入时，沿螺旋板形成的螺旋通道斜向前进，将传统的横向折流方式变成纵向螺旋折流方式，在降低壳程阻力的同时，大大强化传热效果。其特点是：⑴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，因而具有压降低的特点。⑵与弓形折流板相比，在同样的压降下，可大幅度提高壳程介质的流速，从而加剧湍流程度，使介质传热能力增大。 ⑶壳程介质螺旋前进，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。⑷横向折流方式比，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。⑸旋折流板对换热管的约束要强于弓形折流板，减少了管束振动，延长设备的运行寿命。⑹壳程做冷凝换热时，螺旋折流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。
StehlikP等进行的研究得出,与传统弓形折流板换热器相比,相同条件下螺旋折流板换热器的传热系数可提高1.8倍,流动阻力降低25%。陈世醒等研究发现,对于高粘度 油品,螺旋折流板换热器单位压降的壳程对流传热 系数约为普通弓形折流板换热器的1.5倍;对于水, 螺旋折流板换热器单位压降的壳程对流传热系数约为普通弓形折流板换热器的2.4倍。宋小平介绍了十余台螺旋折流板换热器在炼油厂的应用情况,使用结果表明,其各种性能指标均优于原弓型折 流板换热器,采用螺旋折流板换热器后的换热效率 都大幅度提高,并减少了换热面积和金属消耗,从而降低了装置的设备投资。
但是，螺旋曲面加工困难，而且换热管与折流板的配合很难实现。考虑到加工上的方便，采用一系列的准扇形平面板（称之为螺旋折流板）替代曲面相间连接， 在壳程侧形成近似的螺旋面，使换热器的壳程侧流体产生连续的螺旋状流动，见图 ２。 |
 |
| 螺旋折流板布置应使壳程内介质的螺旋状流场稳定，这就要求螺旋折流板之间有一致的间隔称为折流板间距Ｆ），相同的安装角α，一般还应要求：螺旋折流板应布置在上方进出口轴线的下方或下方进出口轴线的上方，见图 ３。 |
 |
| 自1997年抚顺石油二厂在国内首次应用螺旋折流板换热器以来,螺旋折流板换热器在化工炼油装置上得到迅速推广,先后有超过20家企业的几十套装置应用了上千台螺旋折流板换热器。应用结果表明,壳程采用螺旋折流板比采用垂直弓形折流板确实具有减少壳程流体压力降的效果,但对于壳程换热效率的提高却不十分明显,某些换热器,尤其是大直径换热器采用螺旋折流板后,其换热效率甚至不如弓形折流板。经过对不同直径壳体以及不同角度的螺旋折流板换热器进行的多次模拟实验表明,出现这种情况的主要原因是受到机械加工水平的限制,因为实现完全的连续螺旋折流的加工非常困难。传统的螺旋折流板由2块或4块平板搭接,布置成近似螺旋面,每块投影为360°/x的扇形折流板,与壳程轴线呈一定角度首尾相接依次摆放,相邻2块折流板的直边在顶部交错对接排列,2块相邻折流板间形成的三角形空间(见图4),容易导致沿折流板流动的介质形成短路漏流而偏离螺旋流动状态。 |
图4传统的螺旋折流板结构布置 |
短路漏流减少了理想通道的流量,尤其在大直径螺旋折流板管壳式换热器中,由于大量介质沿着2块相邻折流板间形成的三角形空间及缝隙短路流过,使主流道螺旋流减少,降低了介质流速,严重影响了换热效率。新型防短路螺旋折流板管壳式换热器为了确保壳程换热效率的提高幅度,大连海特公司研发了1种新型防短路螺旋折流板,使壳程内介质以近似理想的螺旋流动模式通过壳体。
新型防短路螺旋折流板在原扇形折流板的基础上将两侧直边同时加宽1排或2排管距宽度,相邻2块扇形板的直边以交叉重叠方式连接,在由同1排或2排换热管贯穿的情况下进行了流动模拟实验。实验结果表明,在扇形折流板在两侧直边同时加宽5~10mm时,短路现象仍然存在,直到加宽到1排至2排管距宽度时,壳程内介质才以近似理想的螺旋流动模式通过壳体,此时短路现象几乎杜绝。防短路螺旋折流板结构布置见图5。 |
图5新型防短路螺旋折流板结构布置 |
这种交叉重叠搭接的连接方式对流经管束的介质起到良好的引导作用,既减少了两相邻扇形折流板直边交叉形成三角形空间的短路现象,确保了换热效率的提高,又由于同1排或2排换热管穿过相邻的2块扇形板,强化了管束刚性,避免了象限间分离的趋势。重叠部分的螺旋折流板结构具有良好的防振作用。
综上所述,螺旋折流板换热器在综合性能方面显示出了其优越性，只要设计恰当,可以获得较好的综合性能. 但是,与传统弓型折流板相比,需要进一步做研究的地方尚有许多,比如:迄今人们对管壳式换热器的研究大多集中在弓型折流板方面, TEMA的标准也是针对弓型折流板而言的,要使螺旋折流板进入标准化的设计,则需要对其流动和传热机理展开详细分析研究,而影响其流动和传热机理的因素除了影响传统弓型折流板的因素以外,还有如几何因素(布置型式、螺旋角、螺距) 、相变情形、不同介质的物性影响等等. 有理由相信,随着计算机技术的不断发展以及对螺旋折流板换热器机理的深入研究,这种换热器的应用将更加广泛. | |
