不同折流板的管殼式換熱器流動換熱性能試驗研究

任智宏,王斯民,陳 強

(1.中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3.中石化煉化工程集團洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 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]，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，易制造，操作條件靈活及易清洗維護。換熱器中不同的折流板對管束的支撐作用不同，導(dǎo)致在殼程內(nèi)流動的流體分布不同，流體的流動特性對換熱器內(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)計理論的成熟，不斷對折流板結(jié)構(gòu)進行改造。有研究者提出了一種殼程為螺旋流動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快速流道區(qū)域，會降低殼程的流動傳熱性能。西安交通大學(xué)王斯民等[5]提出了一種先進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。

通過試驗研究，對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，分析改進折流板結(jié)構(gòu)的強化傳熱效果，同時減小漏流區(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 試驗對象

試驗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象，對比換熱器改進前后的流動傳熱性能。試驗對象結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 試驗對象結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(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)從膨脹槽開始，泵送至電加熱器加熱，然后進入換熱器；管程循環(huán)從水箱開始，通過水泵進入換熱器與導(dǎo)熱油進行熱交換；殼程出口被冷卻的導(dǎo)熱油回到電加熱器前端進行循環(huán)，管程出口被加熱的冷卻水進入冷卻塔冷卻流回水箱。圖1和圖2分別為試驗系統(tǒng)流程示意圖與試驗臺布置圖。

圖2 試驗臺布置

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。當殼程體積流量為10～18 m3/h時，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：因為在殼程形成螺旋流，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。當殼程體積流量為10～18 m3/h時，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)，這是因為封堵了折流板與殼體的外漏流區(qū)，流速增大，且流體集中流過換熱管中心區(qū)，換熱增強；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，其對換熱器傳熱性能有一定的負面影響。

圖5 總傳熱系數(shù)隨體積流量的變化

3.3 綜合性能指標

圖6為三類換熱器綜合性能指標(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。當殼程體積流量為10～18 m3/h時，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換熱器，改進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，壓力降也相對較小，說明折面螺旋折流板換熱器內(nèi)部流動沿程阻力和局部阻力較小。流動順暢，沖擊較小，局部結(jié)垢和局部腐蝕就會減弱，有利于換熱器長周期平穩(wěn)運行。

4 結(jié) 論

基于試驗研究結(jié)果，對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傳熱性能，可得出如下結(jié)論：

(1)三類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為：折面螺旋折流板換熱器、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)，對設(shè)備內(nèi)部防結(jié)垢和防腐蝕更加有利。