折面螺旋折流板換熱器的流動傳熱性能

王斯民，肖娟，王家瑞，簡冠平，文鍵

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2西安交通大學(xué)能源與動力學(xué)院，陜西 西安 710049）

折面螺旋折流板換熱器的流動傳熱性能

王斯民1，肖娟1，王家瑞1，簡冠平1，文鍵2

（1西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2西安交通大學(xué)能源與動力學(xué)院，陜西 西安 710049）

針對現(xiàn)有平面螺旋折流板換熱器的相鄰折流板與殼體間存在的三角漏流區(qū)，提出了一種折面螺旋折流板換熱器?；趯嶒炑芯糠治隽苏勖媛菪哿靼鍝Q熱器的螺旋角和搭接度對流動傳熱性能的影響，并擬合了殼程對流傳熱和阻力系數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式。結(jié)果表明，當殼程體積流量相同時，隨著螺旋角的減小，折面螺旋折流板換熱器的殼程總壓降增加，殼程管束壓降增加，殼程膜傳熱系數(shù)提升，綜合性能增強；相同殼程體積流量下，隨著搭接度的增加，殼程總壓降也增加，殼程膜傳熱系數(shù)增加，綜合性能提高。實驗研究表明螺旋角 18°、搭接度50%的折面螺旋折流板換熱器流動傳熱性能最佳。將折面螺旋折流板換熱器的螺旋角和搭接度作為修正因子擬合到了實驗關(guān)聯(lián)式中，對比發(fā)現(xiàn)實驗值與Nu實驗關(guān)聯(lián)式計算值的平均相對誤差為1.13%，與f實驗關(guān)聯(lián)式的平均相對誤差為6.84%，說明了擬合的正確性和可靠性。研究結(jié)果為折面螺旋折流板換熱器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

折面螺旋折流板換熱器；流動；傳熱；三角漏流區(qū)；實驗驗證；實驗關(guān)聯(lián)式

引 言

換熱器廣泛應(yīng)用于石油化工、電力發(fā)電、食品生產(chǎn)及制冷低溫等行業(yè)，特別是管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡單，易制造，操作條件范圍廣及易清洗維護等特點，占據(jù)世界上總換熱器數(shù)量的 35%～40%[1-3]。折流板是管殼式換熱器內(nèi)的重要部件，起支撐和引導(dǎo)殼程流體分布的作用，因此折流板的結(jié)構(gòu)形式對換熱器的流動減阻和強化傳熱有著重大意義。

弓形折流板換熱器是典型的管殼式換熱器，殼程流體呈“之”字型流動，易結(jié)垢，壓力損失大，傳熱效率低，存在流動死區(qū)，流體誘導(dǎo)振動大[4-6]。Lutcha等[7]提出了螺旋折流板換熱器，殼程流體呈“螺旋狀”流動，具有沿程阻力小、傳熱效率高等特點?，F(xiàn)有螺旋折流板換熱器通常采用4塊1/4扇形折流板搭接組成一個螺距，形成近似螺旋面。但搭接螺旋折流板換熱器的相鄰折流板間存在三角漏流區(qū)，使得流體短路泄漏，削弱傳熱效率。針對漏流，眾多研究者提出了改進方案，Wang等[8-9]采用連續(xù)螺旋折流板換熱器，但加工制造困難。杜文靜等[10]提出六分扇形螺旋折流板換熱器，采用6塊1/4扇形折流板沿周向每隔60°布置，相鄰折流板重疊搭接有效地減小漏流區(qū)。文鍵等[11-12]采用旋梯式螺旋折流板換熱器，使用兩塊折流板形成一個螺旋周期。

針對三角漏流問題，設(shè)計研發(fā)了一種折面螺旋折流板換熱器，并申請了相關(guān)專利[13]。使用新型折面螺旋折流板代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面螺旋折流板，有效堵塞折流板與殼體邊緣的漏流區(qū)，并且改進后的換熱器性能顯著提升[14]。本研究將進一步對新型折面螺旋折流板換熱器的性能進行探索，通過實驗研究分析折面螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋角和搭接度對流動傳熱性能的影響，并將結(jié)構(gòu)參數(shù)擬合到殼程換熱和阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式中，為折面螺旋折流板換熱器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇提供理論指導(dǎo)。

1 折面螺旋折流板換熱器

圖1為目前搭接螺旋折流板換熱器中平面螺旋折流板的結(jié)構(gòu)形式，明顯可看到在相鄰折流板與殼體間存在外三角漏流區(qū)，當流體通過折流板時，雖整體呈現(xiàn)螺旋流動，但部分流體從漏流區(qū)快速通過，該區(qū)域布管少，實際傳熱面積少，使得換熱性能降低。

圖1 平面螺旋折流板Fig.1 Plain helical baffle

圖2為改進后的折面螺旋折流板換熱器中折面螺旋折流板的結(jié)構(gòu)形式。折面螺旋折流板在平面螺旋折流板的基礎(chǔ)上，于搭接處進行折彎，有效封堵了相鄰折流板的豁口，避免了漏流區(qū)的軸向流動，使得流體能更好地沿螺旋通道流動。如圖2所示，折面螺旋折流板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為螺旋角和搭接度。螺旋角β是折流板的法線與殼體軸心的夾角，搭接度e是指搭接點到殼體的垂直距離l與殼體半徑的比值。

圖2 折面螺旋折流板Fig.2 Fold helical baffle

2 實驗系統(tǒng)及方法

實驗主要針對不同工況下，多螺旋角多搭接度的實驗試件進行性能測試，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對折面螺旋折流板的流動傳熱性能影響。圖3是折面螺旋折流板換熱器的實物圖，實驗試件結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

實驗系統(tǒng)主要包括管程水路循環(huán)、殼程油路循環(huán)及測試系統(tǒng)。殼程介質(zhì)昆侖L-QC310導(dǎo)熱油從膨脹槽通過油泵進入電加熱器加熱，然后輸送至換熱器殼程，與從水箱通過水泵進入換熱器管程的冷卻水進行換熱。熱交換結(jié)束后，被冷卻的導(dǎo)熱油回到電加熱器前端進行循環(huán)，被加熱的冷卻水進入冷卻塔冷卻流回水箱，圖4為實驗臺布置。

圖3 折面螺旋折流板換熱器Fig.3 Specimen of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles

表1 實驗試件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of experimental specimen

圖4 實驗臺布置Fig.4 Agreement diagram of experimental table

實驗過程中，需測量管殼程的流量、進出口溫度以及殼程的總壓降和純管束壓降，測量儀表規(guī)格及精度見表2。該實驗結(jié)果在定性溫度為80℃下所得，管程水流量固定在18 m3·h-1左右不變，殼程導(dǎo)熱油流量從 8 m3·h-1到 32 m3·h-1逐漸增大，每 2 m3·h-1取一個數(shù)據(jù)點進行實驗。實時計算傳熱系數(shù)及熱平衡偏差等，當熱平衡偏差小于±5%才可以進行下一組實驗。

表2 測量儀表規(guī)格及精度Table 2 Specification and accuracy of measuring instrument

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 總傳熱系數(shù)和壓降

當換熱器介質(zhì)沒有相變、介質(zhì)比熱容不隨著溫度改變時，理想的換熱器冷熱流體間的熱量互相平衡。但是在實際實驗過程中，由于熱量散熱損失、測量誤差、介質(zhì)物性計算誤差等，冷、熱流體間不可能達到真正的平衡。

殼程導(dǎo)熱油換熱量

管程冷卻水獲取熱量

故換熱量的計算公式為

式中，Q為換熱量，W；m為質(zhì)量流率，kg·s-1；T為溫度，K；cp為比熱容，J·kg-1·K-1；下角標 s、t分別代表殼程、管程；下角標1、2分別代表進口、出口。

總傳熱系數(shù)是螺旋折流板換熱器傳熱性能表征的最重要參數(shù)之一，總傳熱系數(shù)的計算如下

換熱面積A計算公式為

式中，n為換熱管數(shù)量；do為換熱管外徑，m；lc為換熱管有效長度，m。

對數(shù)平均溫差

總壓降

3.2 綜合性能指標

通常換熱器殼程的膜傳熱系數(shù)很難直接獲得，因此通常采用熱阻分離法進行計算。根據(jù)實驗和經(jīng)驗易得到換熱器的總傳熱系數(shù)、管內(nèi)膜傳熱系數(shù)、換熱管熱阻及污垢熱阻等，最后可計算殼程的膜傳熱系數(shù)。換熱器的綜合性能指標采用Nus·f -1/3[15-16]。

管程膜傳熱系數(shù)

殼程膜傳熱系數(shù)

式中，ht為管內(nèi)膜傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；hs為殼程膜傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Rt為換熱管內(nèi)壁污垢熱阻，m2·K·W-1；Rs為換熱管外壁污垢熱阻，m2·K·W-1；λt為換熱管熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；b為換熱管厚度，m；di為換熱管內(nèi)徑，m；dm為換熱管中徑，m。

殼程Nusselt數(shù)

特征流速

對于弓形折流板換熱器

對于螺旋折流板換熱器[17-18]

式中，H為板間距，m；B為螺距，m；Di為殼體內(nèi)徑，m；D1為管束外徑，m；tp為管間距，m。

阻力系數(shù)

換熱器的流動傳熱綜合性能指標

3.3 不確定度分析

本實驗的不確定度表示為[19-20]

式中，R=f(x1,x2,x3,…,xn)，R為間接測量值，而x1,x2,x3,…,xn為直接測量的變量。

經(jīng)計算，對于折面螺旋折流板換熱器的殼程Nusselt數(shù)和阻力系數(shù)的不確定度分別為±6.1%和±3.5%，不確定度分析的結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，說明了實驗和測量方案的可行性和可靠性，實驗結(jié)果的不確定度滿足工程需求。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 折面螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

4.1.1 螺旋角的影響 當折面螺旋折流板換熱器搭接度為50%時，分析了螺旋角分別為18°、27°、35°及 40°的折面螺旋折流板換熱器，不同螺旋角對壓降、總傳熱系數(shù)以及綜合性能指標Nus·f-1/3的影響。

圖5 螺旋角對總壓降的影響Fig.5 Effect of helical angle on total pressure drop

圖5、圖6為不同螺旋角下?lián)Q熱器殼程總壓降、管束壓降隨殼程體積流量的變化。由圖5、圖6可知，隨著殼程體積流量的增加，折面螺旋折流板換熱器的殼程壓降增加，管束壓降增加，并且可知殼程管束壓降大大小于殼程總壓降，說明在換熱器的進出口會產(chǎn)生較大的阻力損失。相同殼程體積流量下，隨著螺旋角的增加，總壓降減小，管束壓降也減小。螺旋角增加，螺距增加，折流板的數(shù)量減小，流體通過的阻力減小，并且最小流通截面積增加，使得流速降低，也會導(dǎo)致壓降減小。

圖7為不同螺旋角下殼程膜傳熱系數(shù)隨殼程體積流量的變化。結(jié)果表明，隨著殼程體積流量的增加，殼程膜傳熱系數(shù)增加。相同殼程體積流量下，隨著螺旋角的減小，殼程膜傳熱系數(shù)提升。當殼程體積流量為8～32 m3·h-1，螺旋角從 40°減小到 18°時，殼程膜傳熱系數(shù)提高了54.3%～60.5%。螺旋角減小，螺距減小，流體通過的最小流通截面積減小，故流速增加，湍動能提升，換熱增強。

圖6 螺旋角對殼程管束壓降的影響Fig.6 Effect of helical angle on shell-side tube bundle pressure drop

圖7 螺旋角對殼程膜傳熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of helical angle on shell-side heat transfer coefficient

圖8為不同螺旋角下綜合性能指標Nus·f-1/3隨殼程體積流量的變化。由圖8可知，隨著殼程體積流量的增加，Nus·f-1/3增加，折面螺旋折流板換熱器的綜合性能提升。相同殼程體積流量下，隨著螺旋角的減小，折面螺旋折流板換熱器的綜合性能增強，螺旋角為18°時，Nus·f-1/3最大，相比其他螺旋角下的綜合性能優(yōu)勢明顯。

圖8 螺旋角對綜合性能的影響Fig.8 Effect of helical angle on comprehensive performance

4.1.2 搭接度的影響 當折面螺旋折流板換熱器的螺旋角為27°時，研究了不同搭接度0%、30%及50%對殼程總壓降、總傳熱系數(shù)以及綜合性能指標Nus·f-1/3的影響。

圖9是不同搭接度下折面螺旋折流板換熱器的殼程總壓降隨殼程體積流量的變化。結(jié)果表明，相同殼程體積流量下，隨著搭接度的增加，殼程總壓降增加。搭接度增加，折面螺旋折流板換熱器的中心流通截面積減小，相同流量下的流速提升，壓力損失增加，并且搭接度增加使螺距減小，相同換熱長度內(nèi)流過的折流板增多，阻力變大。

圖9 搭接度對總壓降的影響Fig.9 Effect of overlapped degree on total pressure drop

圖10為不同搭接度下折面螺旋折流板換熱器的殼程膜傳熱系數(shù)隨殼程體積流量的變化。由圖10可知，隨著搭接度的增加，折面螺旋折流板換熱器的殼程膜傳熱系數(shù)提升。搭接度為50%時，殼程膜傳熱系數(shù)最大，在殼程體積流量為8～32 m3·h-1范圍內(nèi)，比搭接度30%時的殼程膜傳熱系數(shù)平均提升了8.5%，比搭接度0%時的殼程膜傳熱系數(shù)平均增加了 29.1%。搭接度增加，螺距減小，最小流通截面積減小，相同流量下的流速提升，換熱增強，同時折流板的數(shù)量增加，擾動增加，有利于換熱。

圖11為不同搭接度下折面螺旋折流板換熱器的綜合性能指標Nus·f-1/3隨殼程體積流量的變化。相同殼程體積流量下，隨著搭接度的增加，Nus·f-1/3增大，折面螺旋折流板換熱器的綜合性能增強，搭接度50%時的綜合性能最好。搭接度直接影響著折面螺旋折流板的折彎位置，因此搭接度的選擇除考慮流動傳熱性能外，實際設(shè)計加工制造時，需同時考慮折面螺旋折流板換熱器的布管方式，加工難易程度等。

圖10 搭接度對殼程膜傳熱系數(shù)的影響Fig.10 Effect of overlapped degree on shell-side heat transfer coefficient

圖11 搭接度對綜合性能的影響Fig.11 Effect of overlapped degree on comprehensive performance

4.2 折面螺旋折流板換熱器殼程關(guān)聯(lián)式擬合

相似原理在傳熱學(xué)中一個重要應(yīng)用是指導(dǎo)實驗的安排及實驗數(shù)據(jù)的整理[21]?；谙嗨圃恚勖媛菪哿靼鍝Q熱器的實驗數(shù)據(jù)可整理為相似準則數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，即得到實驗關(guān)聯(lián)式，并且將螺旋角和搭接度擬合到實驗關(guān)聯(lián)式中。

4.2.1 殼程對流傳熱實驗關(guān)聯(lián)式 在對流傳熱中，實驗關(guān)聯(lián)式常采用冪函數(shù)的形式，并且折面螺旋折流板換熱器殼程視為外部強制對流傳熱，故關(guān)聯(lián)式形式如下[22-23]

擬合實驗關(guān)聯(lián)式時涉及特征長度、特征速度及定性溫度的選取。選擇換熱管的外徑為特征長度，Re計算所用的特征流速取最小流通截面流速，殼程進出口截面溫度的平均值為定性溫度。依據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)擬合了Re在300～3200之間時，C、m關(guān)于螺旋角β和搭接度e的表達式如下

采用決定系數(shù)R2判斷擬合的程度，對流傳熱實驗關(guān)聯(lián)式的決定系數(shù)為0.99，該值越接近1，說明擬合程度越好[24-25]。表3為部分實驗點的Nu實驗關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值的對比。經(jīng)計算全部實驗點的實驗值與實驗關(guān)聯(lián)式計算值的最大相對誤差為4.71%，平均相對誤差為1.13%，再次說明了擬合的正確性和可靠性。

表3 Nu實驗值與實驗關(guān)聯(lián)式計算值的結(jié)果對比Table 3 Comparison of Nusselt number between experimental data and calculated values from experimental correlation

4.2.2 殼程阻力系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式 殼程阻力系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式的形式如下[26]

當Re在300～3200之間時，C、m關(guān)于螺旋角β和搭接度e的表達式如下

擬合過程中決定系數(shù)R2為0.98，是較為理想的擬合程度。表4為部分實驗點的f實驗關(guān)聯(lián)式計算值與實際值的對比結(jié)果。經(jīng)計算全部實驗點的實驗值與實驗關(guān)聯(lián)式計算值的最大相對誤差為 18.5%，平均相對誤差為6.84%。

表4 f實驗值與實驗關(guān)聯(lián)式計算值的結(jié)果對比Table 4 Comparison of friction coefficient between experimental data and calculated values from experimental correlation

5 結(jié) 論

提出一種有效堵塞傳統(tǒng)平面螺旋折流板三角漏流區(qū)的折面螺旋折流板?；趯嶒炑芯糠治隽苏勖媛菪哿靼鍝Q熱器的螺旋角和搭接度對流動傳熱性能的影響，并將結(jié)構(gòu)參數(shù)作為修正因子擬合到折面螺旋折流板換熱器的對流傳熱和阻力系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式中，為折面螺旋折流板換熱器的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

（1）相同殼程體積流量下，當搭接度不變時，隨著螺旋角的減小，折面螺旋折流板換熱器的殼程總壓降、管束壓降增加，殼程膜傳熱系數(shù)提升，綜合性能增強。

（2）相同殼程體積流量下，當螺旋角不變時，隨著搭接度的增加，折面螺旋折流板換熱器的殼程總壓降增加，殼程膜傳熱系數(shù)增加，綜合性能提升。

（3）相同殼程體積流量下，所有試件中螺旋角18°、搭接度50%的折面螺旋折流板換熱器綜合性能最佳。

（4）擬合了折面螺旋折流板換熱器的對流傳熱和阻力系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明實驗值與關(guān)聯(lián)式計算值的平均相對誤差分別為 1.13%和 6.84%，說明了擬合的正確性和可靠性。

符 號 說 明

A——換熱面積（以換熱管外徑計算），m2

B——螺距，m

b——換熱管厚度，m

C——實驗關(guān)聯(lián)式系數(shù)

cp——比熱容，J·kg-1·K-1

D——殼體直徑，m

D1——管束外徑，m

d——換熱管直徑，m

de——特征長度，m

e——搭接度，%

f——阻力系數(shù)

g——管程數(shù)

H——換熱管長，m

h——膜傳熱系數(shù)，W?m-2?K-1

K——總傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

L——殼體長度，m

l——搭接點到殼體垂直距離，m

lc——有效換熱長度，m

m——質(zhì)量流量，kg?s-1

Nu——Nusselt數(shù)

n——換熱管數(shù)量

Pr——Prandtl數(shù)

p——壓降，Pa

Δp——殼側(cè)壓降，Pa

Q——換熱量，W

qV——體積流量，m3?s-1

R——污垢熱阻，m2·K·W-1

Re——Reynolds數(shù)

Sz——流通截面積，m2

T——溫度，K

tp——管間距，m

Δtm——對數(shù)平均傳熱溫差，K

u——特征速度

β——螺旋角，(°)

δ——折流板厚度，m

λ——熱導(dǎo)率，W?m-1?K-1

ρ——流體密度，kg·m-3

下角標

i,o,m——分別為殼體換熱管的內(nèi)、外、中

s,t——分別為殼程、管程

1,2——分別為進、出口

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date:2017-05-18.

Prof.WEN Jian,jianwen@mail.xjtu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51676146).

Flow and heat transfer performance of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles

WANG Simin1,XIAO Juan1,WANG Jiarui1,JIAN Guanping1,WEN Jian2
(1School of Chemical Engineering and Technology,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,Shaanxi,China;
2School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,Shaanxi,China)

A kind of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles was proposed to eliminate the triangular leakage zones between adjacent baffles and shell.The effect of helical angle and overlapped degree on flow and heat transfer for shell-and-tube heat exchanger with fold helical baffles was studied based on investigation.The experimental correlations of convection heat transfer coefficient and resistance coefficient in shell side were obtained.The results show that the shell-side total pressure drop,shell-side tube bundle pressure drop,shell-side heat transfer coefficient and comprehensive performance all increase with the decrease of helical angle and the increase of overlapped degree under same shell-side volume flow rate.The flow and heat transfer performance of shell-and-tube heat exchanger with helical baffles is the best when helical angle is 18°and overlapped degree is 50%.The helical angle and overlapped degree as correction factor are added into experimental correlations.It is found that the average relative error between experimental values and experimental correlation of Nusselt number is 1.13%,the average relative error is 6.84% between experimental values and experimental correlation of resistance coefficient,which illustrates the fitting is correct and reliable.The results have a degree of theoretical guidance for design of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles.

shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles; flow; heat transfer; triangular leakage zones;experimental validation; experimental correlation

TK 124

A

0438—1157（2017）12—4537—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170641

2017-05-18收到初稿，2017-06-25收到修改稿。

聯(lián)系人：文鍵。

王斯民（1977—），男，副教授。

國家自然科學(xué)基金項目（51676146）。