多組螺旋葉片折流板換熱器性能試驗研究

李 林，高 磊，張瑩瑩，黃 偉

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石化股份有限公司天津分公司，天津 300271）

管殼式換熱器應用范圍較廣，研制新型高效管殼式換熱器具有重大意義。由管殼式換熱器傳熱原理可知，影響設備傳熱效率的主要因素是傳熱能力相對較差的一側(cè)，而這通常是設備的殼程[1]。殼程流體若呈較好的螺旋形式流動，該類換熱器具有傳熱效果好、流動壓降小、不易結(jié)垢、流動誘導振動小等優(yōu)點[2,3]。螺旋葉片折流板換熱器換是自主開發(fā)的新型換熱器[4]，它是在目前廣泛研究的螺旋折流板換熱器的基礎上，把折流板的單象螺旋結(jié)構(gòu)改由若干組螺旋葉片構(gòu)成，每組螺旋葉片由4塊橢圓扇形平板組成，整體上形成 360°螺旋形通道，以期達到迫使殼程流體呈四象螺旋狀流動。

文中對5臺螺旋葉片折流板換熱器進行了試驗測試，得到其傳熱及壓降特性。建立其殼程對流傳熱系數(shù)及壓力降公式基本形式,根據(jù)其試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合,獲得經(jīng)驗公式。

1 試驗部分

1.1 試驗主要設備及儀器

試驗在換熱器性能綜合測試試驗臺上進行，主要測試儀表、設備為：精密溫度計，測量范圍為0～50 ℃和0～100 ℃；U型管水銀壓差計；LZB—50轉(zhuǎn)子流量計與LZJ—100轉(zhuǎn)子流量計并聯(lián)，量程1～50 m3/h ；

1.2 試驗流程

本裝置主要包括兩個回路、三個部分。兩個回路：換熱系統(tǒng)的管程回路和殼程回路。系統(tǒng)測試熱水和冷水之間的換熱效率，熱水走管程，冷水走殼程。三個部分：（1）熱水小儲罐及加熱裝置；（2）冷水大儲罐；（3）循環(huán)動力系統(tǒng)。本試驗中采用電偶加熱，試驗溫度較易控制。試驗流程如下圖1所示。

圖1 試驗流程圖Fig.1 Test flow chart

1.3 試驗組件參數(shù)

本試驗螺旋葉片折流板換熱器：殼體內(nèi)徑Φ250 mm；管束由碳鋼圓管Φ19 mm×2 500 mm×2 mm×40根組成，管程數(shù)2。結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 各組螺旋葉片折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of shell and tube heat exchangers with spiral blade baffles

2 數(shù)據(jù)處理方法[5,6]

2.1 殼程傳熱系數(shù)

計算螺旋葉片折流板換熱器殼程膜傳熱系數(shù)基本形式：

式中：ho′—殼程膜傳熱系數(shù)，W/(m2?K)；

λo—定性溫度下介質(zhì)的導熱系數(shù)，W/(m?k)；

de—殼程的當量直徑，m；

Reo—殼程流體雷諾數(shù)；

Pro—殼程流體普蘭特數(shù)；

φo—壁溫校正系數(shù)，無因次。

2.2 殼程壓力降

根據(jù)單弓形折流板管內(nèi)及殼程壓力降，得到螺旋葉片折流板換熱器殼程壓力降基本形式：

式中：ΔP′—殼程壓降，Pa；

ρ—殼程流體密度，Kg/m3；

u—殼程流體流速，m/s；

L—管長，m；

B—折流板間距，m。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 殼程傳熱系數(shù)

運用 Bell-Delaware法建立螺旋葉片折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)數(shù)學模型。將試驗數(shù)據(jù)帶入模型，并用Origin軟件確定式中的參數(shù)。

其中：c1=4.456 4,c2=-0.316 9,c3=0.008 4,c4=-504.304 3,c5=61 056.344 7,c6=22 687.589 6,c7=-132 541.818 3,c8=45 191.371 3，θ為螺旋角。

各組螺旋葉片折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)，如圖2。

圖2 螺旋葉片折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)對比Fig.2 Shell-side heat transfer coefficient comparison of shell and tube heat exchangers with spiral blade baffles

在強化傳熱方面，從上圖可知，在相同Re下，螺旋角度16°、折流板間距400 mm的螺旋葉片折流板換熱器性能更好。

3.2 殼程壓力降

通過試驗方法并運用Origin軟件擬合殼程壓力降經(jīng)驗計算公式為：

其中：p1=25.68，p2=-3.04，p3=0.09，p4=-959.09，p5=135 913，p6=-44 602，p7=19 424，p8=-8 542；q1=3 027 661 513，q2=-180 343 024，q3=-38 499 018，q4=3 932 797，q5=-97 585，q6=89 721 828，q7=-12 217 331 525，q8=3 636 757 406。

各參數(shù)螺旋葉片折流板換熱器殼程壓降與殼程冷水流量關(guān)系曲線，如圖3。

圖3 螺旋葉片折流板換熱器殼程壓力降對比Fig.3 Shell-side pressure drop comparison of shell and tube heat exchangers with spiral blade baffles

由圖2、3可知，螺旋角度大小與折流板間距大小綜合影響著螺旋葉片折流板換熱器的傳熱和壓降，因此，在設計螺旋葉片折流板換熱器時，應適當選擇螺旋角度數(shù)與折流板間距。

4 結(jié) 語

在管程同一熱水流量的條件下，通過上面分析可知，螺旋角度16°、折流板間距400 mm的螺旋葉片折流板換熱器比其它參數(shù)下的螺旋葉片折流板換熱器性能更好。

綜上所述，螺旋葉片折流板換熱器性能在理論上有較好的優(yōu)越性，但對它的研究尚處于起始階段，對其流動和傳熱機理還需做深入的試驗與計算機模擬，掌握其特性，為其合理的設計和強化傳熱方面的應用做準備。

［1］靳明聰.換熱器[M].重慶：重慶大學出版社,1990.

［2］商麗艷.不同螺旋角的螺旋折流板換熱器性能試驗研究[J].壓力容器，2008，25(4)：9-20.

［3］Stehlik P，Wadeker V. Different Strategies to Improve Industrial Heat Exchanger[J]. Heat Transfer Eineering，2002，23(6)：36-38.

［4］遼寧石油化工大學、撫順化工機械設備制造有限公司、中國石化工程建設公司.一種螺旋葉片折流板換熱器：中國，ZL 2010 2 0531082.X[P].2011-06-15.

［5］茹卡烏斯卡斯 AA.換熱器內(nèi)的對流換熱[M].北京：科學出版社，1986.

［6］劉巍，等.冷換設備工藝計算手冊[M].第二版.北京：中國石化出版社，2008.