一种新型的螺旋折流板换热器

孟 芳

(天津大学石油化工技术开发中心教育部绿色合成与转化重点实验室，天津 300072)

螺旋折流板换热器具有壳程压降小、返混程度低、抗振性能好，以及综合性能好等优点，可实现高效率长周期运行，而受到广泛的关注[1-3]。由于螺旋折流板换热器的螺旋曲面加工制造困难，且在螺旋曲面上钻孔受限等原因，目前一般采用非连续螺旋折流板，即将一个螺距的连续螺旋折流板用多块折流板代替，使每块折流板平面与壳体横截面呈一定的夹角布置，在壳程成近似螺旋面[4]。非连续螺旋折流板壳程结构相对简单，加工制造成本较低。

但由于非连续螺旋折流板换热器内螺旋曲面的不连续性，相邻的折流板的对接处会形成明显的三角漏流区，使得壳程部分流体短路，导致换热器的性能降低。很多研究者针对三角漏流区提出了相应的改进方案[5-13]，虽然有的结构改进使换热器的综合性能得到了提高，但改进后的壳侧结构或换热管结构均较复杂，对设备加工制造的要求比较高，需要投入大量的经济成本。

本文在已有研究的基础上，提出一种新型的螺旋折流板换热器，采用CFD数值模拟的方法对其内部流场进行了详细研究，并与传统单螺旋折流板换热器的性能进行了对比研究。

1 建立模型

新型的螺旋折流板结构是在双螺旋的基础上增加了一组菱形折流板，菱形折流板的位置垂直于壳体的横截面，相邻两块菱形折流板互相垂直，相间的菱形折流板相互平行，如图1所示，不同形式换热器的结构参数见表1。

图1 单螺旋与新型螺旋结构的布置方式(β=30°)

项目单螺旋新型螺旋壳体内径Di /mm120120换热器长度/mm750750换热管内径d0/mm1919换热管间距p/mm2525换热管长度/mm738738换热管数量n1212换热管排列方式正方形正方形螺旋角度/°102030102030

2 边界条件与求解设置

壳程采用循环水介质，入口釆用速度入口，入口温度293 K；出口釆用压力出口；壳体壁面和折流板壁面，设置为无滑移、无渗透的绝热边界条件，换热管壁面温度设置为恒温358 K。采用RNG k-ε湍流模型；速度压力的耦合方式采用SIMLPE算法；所有变量均采用二阶迎风格式。

3 模拟结果分析

3.1 流场分析

图2是单螺旋和新型螺旋折流板换热器壳程内部流线图的局部放大图。从图中可以看出，单螺旋折流板换热器内部存在明显的漏流区域，新型折流板换热器内部的流体通道将单螺旋折流板换热器内部流体通道一分为二，两个螺旋通道相互独立、互不影响，其内部不存在三角漏流区，完全避免了流体短路现象。

图3是单螺旋和新型螺旋换热器内部的速度矢量图和速度分布云图。从图中可以看出流体在新型螺旋折流板换热器内部的流动方向，从新型螺旋折流板换热器内部横截面的速度分布云图中可以看出被菱形折流板分开的两块区域的速度分布几乎完全一致，流体分布较单螺旋结构的流体分布更加均匀。

图2 单螺旋和新型螺旋结构换热器壳程内部流线图(β=30°)

图3 单螺旋和新型螺旋结构换热器内部纵截面的速度矢量图和横截面的速度分布云图(β=30°)

Fig.3 Velocity vectors in the longitudinal section and velocity contours in the cross section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

图4是单螺旋结构与新型螺旋结构换热器内部温度分布云图。从图中可以看出，新型折流板换热器内部高温区出现的位置离进口处较近，且高温区域明显多于单螺旋结构的高温区域，换热器出口温度较高，说明新型螺旋结构提高了换热器的传热性能。

图4 单螺旋结构与新型螺旋结构换热器内部温度分布云图(β=30°)

Fig.4 Temperature contours in longitudinal section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

图5是单螺旋结构与新型螺旋结构换热器内部压力分布云图。从图中可以看出，新型螺旋折流板换热器的压降稍高于单螺旋折流板换热器的压降。

图5 单螺旋结构与新型螺旋结构换热器内部压力分布云图(β=30°)

Fig.5 Static pressure contours in longitudinal section for heat exchanger with single helix and new baffles(β=30°)

3.2 性能分析

图6 换热器的压降(△P)、传热系数(α)、单位压降传热系数(α/△P)随流量的变化关系曲线

Fig.6 Variation of pressure drop △P,heat transfer coefficient α,heat transfer coefficient per unit pressure drop α/△P on the shell side versus mass flow for heat exchanger with single helix and new baffles

图6是螺旋角为10°～30°时，单螺旋折流板换热器和新型螺旋折流板换热器的传热系数(α)、压降(△P)、综合性能(α/△P)随流量的变化关系曲线。从图中可以得到以下结论：换热器壳程传热系数、压降均随流量的增加而增加，随螺旋角度的增加而减小；综合性能随流量的增加而减小，随螺旋角度的增加而增加。新型螺旋折流板换热器的传热系数高于单螺旋折流板换热器的传热系数，螺旋角为10°时，壳程传热系数增加约10%～15%；螺旋角为20°时，壳程传热系数增加约11%；螺旋角为30°时，壳程传热系数增加约20%。新型螺旋折流板换热器的压降均高于单螺旋折流板换热器的压降，且压降的增加幅度随螺旋角的增大而减小；螺旋角为10°时，新型螺旋折流板换热器的压降约为单螺旋的1.9倍；螺旋角为20°时，新型螺旋折流板换热器的压降约为单螺旋的1.2倍；螺旋角为30°时，新型螺旋折流板换热器的压降约为单螺旋的1.03倍。螺旋角为10°～20°时，新型螺旋折流板换热器综合性能降低，螺旋角为10°时，换热器综合性能降低约40%，螺旋角为20°时，换热器综合性能降低约10%；螺旋角为30°时，换热器综合性能增加，增加约20%。

综上，当螺旋角增大到30°时，新型螺旋折流板结构不但可以避免三角漏流区，而且可以改善单螺旋结构的综合性能，说明该新型折流板换热器适用于螺旋角较大的工况。

4 结论

(1)主要针对螺旋折流板换热器内流动与传热过程存在的三角漏流区问题，开展了结构改进工作，提出了一种能够解决问题且易于工程加工制造的新型折流板结构形式。

(2)换热器壳程传热系数、压降均随流量的增加而增加，随螺旋角度的增加而减小；综合性能随流量的增加而减小，随螺旋角度的增加而增加。

(3)新型折流板换热器能够增加壳程传热，但同时增大了壳程压降，压降的增加幅度随螺旋角的增大而减小。

(4)小螺旋角时(10°～20°)，新型螺旋折流板换热器综合性能降低；螺旋角增大到一定程度后(30°)，新型折流板换热器的综合性增加。