螺旋折流板热交换器结构改进研究进展

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(1.青岛畅隆电力设备有限公司，山东 青岛 266700；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061)

在能源动力、石油化工等领域，热量是能源的一种重要表现形式，大量的热量按照工艺要求通过不同的换热设备进行转换，转换过程的系统整体能耗高低大部分取决于热量的利用率，热交换器因而成为能源动力中能量转化的关键设备，对企业节能减排具有重要意义。

管壳式热交换器结构简单、适用压力范围宽、可靠性高而且制造技术成熟，是一种应用非常广泛的热交换器。多年来提高管壳式热交换器换热效率的研究一直在进步，设置折流板和改进折流板结构就是研究的一个重点方向，人们设计了各种类型的折流板，如不同布置的传统弓形折流板、偏转折流板、重叠螺旋折流板及杆折流板等。

最常用的弓形折流板使流体在壳程内以曲折的方式流过管束，通过增强热交换器壳程的湍流程度和局部混合程度来改善换热。传统的弓形折流板热交换器在工业应用实践中也暴露出了一些缺点，包括：①由于流动的突然收缩和膨胀，流体冲击壳壁，壳程侧的压降大。②由于滞止区流动停滞，在折流板和壳壁之间的拐角处换热效率较低。③由于制造公差和安装不准确导致流体在折流板和壳壁之间的泄漏，致使穿过管束的壳程侧的质量流量较低。④壳程侧流垂直于管束引起的振动，导致管束易失效。采用传统的弓形折流板时，在相同的热负荷下，往往需要较高的泵送功率来抵消较高的压降。

为了解决传统弓形折流板的这些缺点，人们开发了螺旋折流板。螺旋折流板克服了传统折流板存在的上述问题，为折流板提供了一种可能的替代方案。螺旋折流板具有5个方面的突出优点：①提高了壳程传热速率/压降比。②减少旁路效应。③减少壳程污垢。④减少管束振动。⑤减少维护。在过去的几十年中，螺旋折流板热交换器得到了不断的发展和改进，并得到了工程界的广泛认可[1-2]。

文中从螺旋折流板热交换器结构研究及基于热力学第二定律的研究这2个方面，对具有不连续螺旋折流板、连续螺旋折流板和组合螺旋折流板等不同结构的管壳式热交换器的技术研究进展进行综述。

1 螺旋折流板结构参数研究

Lutcha等[3]认为热交换器效率的巨大差异是由于不同的流型造成的，即混合流和柱塞流。与混合流相比，柱塞流有显著的传热优势，因为混合流动可以降低传热的局部驱动力，即2种流体之间的温差。因此，合适的折流板应形成接近柱塞流的流型。影响螺旋折流板性能的主要因素有螺旋角、板形及搭接量等。

1.1 螺旋角

螺旋角又称折流板倾角，是螺旋折流板设计中最主要的参数之一，不同螺旋角的折流板对壳程压降和传热系数影响不同。因为螺旋折流板热交换器螺旋角对流体的切向速度影响较大，所以螺旋角直接影响热交换器壳程的传热与阻力性能，进而影响热交换器整体的综合性能。

Sunil等[4]通过对螺旋折流板热交换器在不同质量流量和进口温度条件下的数值模拟，研究了折流板螺旋角在10°～50°变化时热交换器的传热和压力变化规律。具体螺旋角度设置为7种，依次为10°、19°、21°、25°、30°、38°和50°。研究结果表明，螺旋角为30°～50°有利于降低传热和压降，螺旋角为10°～21°有利于提高传热和压降。

王春玲[5]对以水-轻蜡油为工质的螺旋折流板热交换器进行研究，在5.5°～32.5°设置7种折流板螺旋角，分别为5.5°、6.8°、9°、10.8°、13.4°、20.8°和32.5°，计算不同流体体积流量下热交换器的壳程对流传热系数、壳程压降及壳程表面传热系数，分析流体体积流量和螺旋角对热交换器换热性能的综合影响规律。研究结果表明，壳程对流传热系数随体积流量的增大呈线性增大，壳程压降也随体积流量的增大而增大，螺旋角越小这种趋势越明显，壳程表面传热系数与压降均随螺旋角的增大而降低，但单位压降下的表面传热系数随螺旋角的增大而增大。

Lei等[6]在5°～50°设置的7种螺旋角分别为15°、20°、30°、35°、40°、45°和50°，采用周期性边界条件对一个螺旋周期内的热交换器壳程的流动与传热进行了数值模拟。研究结果表明，连续螺旋折流板可以使流动死区减小甚至消失，在相同的雷诺数Re下，当螺旋角小于30°时，努塞尔数Nu随螺旋角的增大而增大，螺旋角大于30°时相反。当螺旋角小于45°时，相同的压降下传热系数随螺旋角的增大而增大，螺旋角大于45°时相反；在数值模拟的Re范围内，45°螺旋角的螺旋折流板热交换器拥有最佳的传热和阻力综合性能。

李斌等[7]采用CFD数值模拟方法和k-ε湍流模型对螺旋折流板热交换器壳程的流动和传热性能进行比较，进一步研究不同螺旋角在不同进口速度下的阻力和传热性能，结果表明，随着螺旋角的增大，螺旋折流板热交换器的进、出口压降逐渐减小，传热系数也随之减小。为了保证换热效率，对螺旋折流板热交换器单位压降下的传热系数进行了比较，螺旋角为40°时热交换器的综合性能最好。

汲水[8]以导热油为壳程工质，采用数值模拟法对螺旋角为15°～25°的热交换器进行了数值模拟研究，结果表明，除了螺旋角为15°的螺旋折流板热交换器壳程表面传热系数和压降略高于弓形折流板热交换器的之外，其它螺旋角的壳程表面传热系数和压降均小于弓形折流板热交换器的。随着螺旋角的增大，壳程表面传热系数与压降均减小。

目前，对于最优螺旋角并没有一个统一的观点。有的研究者认为，最优角取决于壳程工质的雷诺数。Xiao等[9]认为，普朗特数Pr不同时螺旋角的选择不同，若Pr较大，小螺旋角反而更合适。

在现阶段螺旋角对螺旋折流板热交换器影响研究中，针对螺旋角的研究越来越少，更多研究者针对传统螺旋板存在的问题提出改进措施，并用数值模拟和试验的方法验证新结构的可行性。

1.2 板形及搭接量

板形及搭接量研究主要针对搭接螺旋折流板热交换器展开，不同的板形和搭接量直接影响热交换器壳程流动状况及压降，进而影响其综合换热性能。搭接螺旋折流板热交换器相比于连续螺旋折流板热交换器，其加工制造简单，应用更广泛。

搭接螺旋折流板结构上的一个显著缺陷是三角区漏流，即交错相交的2块板片之间存在明显缝隙，其对搭接螺旋折流板热交换器的换热性能影响较大。文献[10]通过分析存在三角区漏流与堵住三角区无漏流的热交换器模型的模拟计算结果证明，三角区漏流使壳程流体流动短路现象严重，并使热交换器整体传热系数、壳程压降及综合性能等降低。为减小或消除三角区漏流，有的研究者提出了不同板形设计方案，也有研究者采用增加搭接量以及重叠的搭接方式进行改进。

文键等[11]提出用旋梯式折面折流板替代传统的扇形板，并通过计算流体力学模拟对螺旋折流板热交换器的结构进行了优化。旋梯式折面折流板由经过2次弯曲加工后的大平板形成，其中2个平面垂直于管束轴线，另一平面与2个平面之间的角度相同。研究结果表明，旋梯式折面折流板结构消除了三角区漏流，改善了壳程流场，使得热交换器壳程流体流动更接近于螺旋流，换热得以强化。该方案使搭接形成的三角漏流区得到封闭，1个周期内必须的折流板从4块减少到2块，同时降低了定位安装的难度。

侯兰雅等[12]为解决螺旋折流板热交换器加工复杂和非连续螺旋折流板相邻板间的流体泄漏问题，提出了一种阶梯式螺旋折流板热交换器，并采用数值模拟方法对比弓形折流板热交换器与阶梯式螺旋折流板热交换器的综合性能。分析结果表明，阶梯式螺旋折流板热交换器壳程流体呈螺旋状流动，而且综合性能优于弓形折流板热交换器。

Cao等[13-14]分析了搭接量对螺旋折流板热交换器壳程性能的影响，证明相同流量下搭接量越大，单位压降下的表面传热系数越小。基于此结论，Cao提出了一种六分扇形螺旋折流板热交换器，即1个周期采用6块扇形板，每块扇形板为1/4椭圆，相邻2块扇形板重叠30°进行搭接。六分螺旋折流板热交换器在3个方面具有优势：①挡板两直边直角的方案简化了制造过程。②1个螺旋周期需要6个挡板，增加了挡板数量，壳程流体流动更接近螺旋流。③相邻隔板之间的周向重叠结构可以减小三角区漏流。相关研究表明，这种结构改进可以抑制三角区漏流，提高热交换器的性能。

2 多壳程研究

一般来说，在相同的流动面积和布管条件下，螺旋折流板的传热系数比弓形折流板的传热系数低，但其产生的压降也较低。为了进一步提高管壳式热交换器的传热性能，一些研究者引入了多壳程管壳式热交换器。

Yang等[15]提出了一种具有连续螺旋折流板的串联双壳程的组合式管壳式热交换器。此组合式管壳式热交换器将壳程分为内、外2个单独的壳程，内壳程为常规的弓形折流板，外壳程为连续螺旋折流板，工作时流体依次流过外壳和内壳。采用试验比较了组合式管壳式热交换器与弓形折流板的双壳程管壳式热交换器的热工水力性能，结果表明，与弓形折流板的双壳程管壳式热交换器相比，组合式管壳式热交换器具有更大的壳程传热系数和压降，且在相同压降下具有更高的传热系数。

汲水等[16]提出了一种新型的双壳程连续螺旋折流板热交换器,采用数值模拟的方法研究了双壳程、单壳程连续螺旋折流板热交换器及弓形折流板热交换器壳程的流动与传热特性。研究结果表明，当质量流量和对流传热系数基本相同时，双壳程连续螺旋折流板热交换器壳程压降比弓形折流板热交换器的降低17.7%～23.5%。在双壳程连续螺旋折流板热交换器中，当质量流量和壳程压降基本相同时，对流传热系数比单壳程连续螺旋折流板热交换器的高7.1%～12.6%。

段振亚等[17]为了增大螺旋角单位长度换热管上螺旋折流板的数量，提出了一种三螺旋折流板导流结构，并对三螺旋折流板后壳程内流体的流动与传热进行了数值模拟，主要研究了雷诺数Re为1 391～4 174时壳程的压降和对流传热系数。研究结果表明，与单螺旋折流板热交换器相比，三螺旋折流板热交换器壳程对流传热系数提高了27.9%，综合传热性能较好。

目前，对多壳程螺旋折流板热交换器研究多采用数值模拟的方法，今后的研究过程中需多采用试验方法进一步验证多壳程螺旋折流板热交换器的综合换热性能。

3 基于热力学第二定律研究

传热和阻力性能是国内外研究螺旋折流板热交换器的另一个主要方面。与热力学第一定律相比，热力学第二定律更注重能量可利用性。文献[18]提出了基于热力学第二定律分析的热交换器性能评价准则，Bejan[19-20]提出的熵产数被广泛应用于热交换器的优化设计[21-23]。然而，现阶段关于螺旋折流板热交换器的热力学第二定律分析研究较少。

Wang等[24]运用热力学第二定律分别对连续螺旋折流板热交换器和弓形折流板热交换器进行了性能试验。结果表明，基于热力学第二定律比较，在相同雷诺数下，螺旋折流板热交换器比弓形折流板热交换器平均降低了30%和68%的熵产数和火用损失，证明了连续螺旋折流板热交换器比弓形折流板热交换器具有更好的性能。

Leong等[25]比较了以纳米流体为冷却液的弓形折流板以及25°和50°中间重叠螺旋折流板热交换器的传热和熵产性能。研究结果表明，25°螺旋折流板热交换器的传热速率最高，而50°螺旋折流板热交换器的熵产数最低。此文仅对2种角度的螺旋折流板热交换器进行了比较，要综合考虑螺旋折流板热交换器的传热和熵产性能，加入其他角度的螺旋折流板热交换器对比分析十分必要。

Gao等[26]对螺旋角分别为8°、12°、20°、30°和40°的5种非连续螺旋折流板热交换器的流动阻力和换热性能进行了试验研究和比较，采用热力学第二定律分析折流板螺旋角对热交换器不可逆损失的影响。结果表明，螺旋角较小的热交换器壳程压降和传热系数均高于螺旋角较大的热交换器。但在相同壳程雷诺数的情况下，较大螺旋角的流动阻力较低，换热性能更好。螺旋角为40°的螺旋折流板热交换器综合性能最好。在热力学第二定律比较中，用改进熵产数和火积耗散数理论来估计热交换器的不可逆性。分析表明，小螺旋角的改进熵产数和火积 耗散数均小于大螺旋角的。

Guo等[27]从热力学第二定律的角度研究了螺距分别为50 mm、110 mm、160 mm和210 mm的4种连续螺旋折流板热交换器，结果表明，在相同工况下，改进熵产数随螺距的增大而增大，其中螺距为110 mm的热交换器综合性能最好。此外，螺距为110 mm、160 mm和210 mm的热交换器在较低雷诺数下使用更有效，而螺距为50 mm的热交换器可在较宽的雷诺数有效范围内使用。

现阶段运用热力学第二定律对螺旋折流板热交换器的研究，多集中在单壳程螺旋折流板热交换器上，今后的研究过程中可以将组合式多壳程螺旋折流板热交换器作为研究对象。

4 结语

螺旋折流板热交换器的研究主要集中在改进热交换器的结构上。总的来说，单壳程连续螺旋折流板热交换器优于弓形折流板热交换器或不连续螺旋折流板热交换器，但制造难度较大，特别是在需要大尺寸螺旋折流板时。与具有扇形折流板或螺旋折流板的单壳程管壳式热交换器相比，具有螺旋折流板的复合式多壳程管壳式热交换器的综合传热性能得以提高。组合式单壳程热交换器和组合式多壳程热交换器都可以简化热交换器的制造和安装，可以取代工业上传统的弓形折流板热交换器。与传统的弓形折流板和经典的螺旋折流板相比，新的改进结构虽然在换热和流动性能上有了一定的改善，但仍缺乏相互之间的比较，各种改进结构在不同工况下的适用性分析也不足，而且缺乏试验或数值模拟验证，需要进一步研究。