螺旋折流板熱交換器結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究進(jìn)展

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(1.青島暢隆電力設(shè)備有限公司，山東 青島 266700；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

在能源動(dòng)力、石油化工等領(lǐng)域，熱量是能源的一種重要表現(xiàn)形式，大量的熱量按照工藝要求通過不同的換熱設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程的系統(tǒng)整體能耗高低大部分取決于熱量的利用率，熱交換器因而成為能源動(dòng)力中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

管殼式熱交換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用壓力范圍寬、可靠性高而且制造技術(shù)成熟，是一種應(yīng)用非常廣泛的熱交換器。多年來提高管殼式熱交換器換熱效率的研究一直在進(jìn)步，設(shè)置折流板和改進(jìn)折流板結(jié)構(gòu)就是研究的一個(gè)重點(diǎn)方向，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種類型的折流板，如不同布置的傳統(tǒng)弓形折流板、偏轉(zhuǎn)折流板、重疊螺旋折流板及桿折流板等。

最常用的弓形折流板使流體在殼程內(nèi)以曲折的方式流過管束，通過增強(qiáng)熱交換器殼程的湍流程度和局部混合程度來改善換熱。傳統(tǒng)的弓形折流板熱交換器在工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中也暴露出了一些缺點(diǎn)，包括：①由于流動(dòng)的突然收縮和膨脹，流體沖擊殼壁，殼程側(cè)的壓降大。②由于滯止區(qū)流動(dòng)停滯，在折流板和殼壁之間的拐角處換熱效率較低。③由于制造公差和安裝不準(zhǔn)確導(dǎo)致流體在折流板和殼壁之間的泄漏，致使穿過管束的殼程側(cè)的質(zhì)量流量較低。④殼程側(cè)流垂直于管束引起的振動(dòng)，導(dǎo)致管束易失效。采用傳統(tǒng)的弓形折流板時(shí)，在相同的熱負(fù)荷下，往往需要較高的泵送功率來抵消較高的壓降。

為了解決傳統(tǒng)弓形折流板的這些缺點(diǎn)，人們開發(fā)了螺旋折流板。螺旋折流板克服了傳統(tǒng)折流板存在的上述問題，為折流板提供了一種可能的替代方案。螺旋折流板具有5個(gè)方面的突出優(yōu)點(diǎn)：①提高了殼程傳熱速率/壓降比。②減少旁路效應(yīng)。③減少殼程污垢。④減少管束振動(dòng)。⑤減少維護(hù)。在過去的幾十年中，螺旋折流板熱交換器得到了不斷的發(fā)展和改進(jìn)，并得到了工程界的廣泛認(rèn)可[1-2]。

文中從螺旋折流板熱交換器結(jié)構(gòu)研究及基于熱力學(xué)第二定律的研究這2個(gè)方面，對(duì)具有不連續(xù)螺旋折流板、連續(xù)螺旋折流板和組合螺旋折流板等不同結(jié)構(gòu)的管殼式熱交換器的技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 螺旋折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

Lutcha等[3]認(rèn)為熱交換器效率的巨大差異是由于不同的流型造成的，即混合流和柱塞流。與混合流相比，柱塞流有顯著的傳熱優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榛旌狭鲃?dòng)可以降低傳熱的局部驅(qū)動(dòng)力，即2種流體之間的溫差。因此，合適的折流板應(yīng)形成接近柱塞流的流型。影響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

螺旋角又稱折流板傾角，是螺旋折流板設(shè)計(jì)中最主要的參數(shù)之一，不同螺旋角的折流板對(duì)殼程壓降和傳熱系數(shù)影響不同。因?yàn)槁菪哿靼鍩峤粨Q器螺旋角對(duì)流體的切向速度影響較大，所以螺旋角直接影響熱交換器殼程的傳熱與阻力性能，進(jìn)而影響熱交換器整體的綜合性能。

Sunil等[4]通過對(duì)螺旋折流板熱交換器在不同質(zhì)量流量和進(jìn)口溫度條件下的數(shù)值模擬，研究了折流板螺旋角在10°～50°變化時(shí)熱交換器的傳熱和壓力變化規(guī)律。具體螺旋角度設(shè)置為7種，依次為10°、19°、21°、25°、30°、38°和50°。研究結(jié)果表明，螺旋角為30°～50°有利于降低傳熱和壓降，螺旋角為10°～21°有利于提高傳熱和壓降。

王春玲[5]對(duì)以水-輕蠟油為工質(zhì)的螺旋折流板熱交換器進(jìn)行研究，在5.5°～32.5°設(shè)置7種折流板螺旋角，分別為5.5°、6.8°、9°、10.8°、13.4°、20.8°和32.5°，計(jì)算不同流體體積流量下熱交換器的殼程對(duì)流傳熱系數(shù)、殼程壓降及殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，分析流體體積流量和螺旋角對(duì)熱交換器換熱性能的綜合影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，殼程對(duì)流傳熱系數(shù)隨體積流量的增大呈線性增大，殼程壓降也隨體積流量的增大而增大，螺旋角越小這種趨勢(shì)越明顯，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與壓降均隨螺旋角的增大而降低，但單位壓降下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨螺旋角的增大而增大。

Lei等[6]在5°～50°設(shè)置的7種螺旋角分別為15°、20°、30°、35°、40°、45°和50°，采用周期性邊界條件對(duì)一個(gè)螺旋周期內(nèi)的熱交換器殼程的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，連續(xù)螺旋折流板可以使流動(dòng)死區(qū)減小甚至消失，在相同的雷諾數(shù)Re下，當(dāng)螺旋角小于30°時(shí)，努塞爾數(shù)Nu隨螺旋角的增大而增大，螺旋角大于30°時(shí)相反。當(dāng)螺旋角小于45°時(shí)，相同的壓降下傳熱系數(shù)隨螺旋角的增大而增大，螺旋角大于45°時(shí)相反；在數(shù)值模擬的Re范圍內(nèi)，45°螺旋角的螺旋折流板熱交換器擁有最佳的傳熱和阻力綜合性能。

李斌等[7]采用CFD數(shù)值模擬方法和k-ε湍流模型對(duì)螺旋折流板熱交換器殼程的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行比較，進(jìn)一步研究不同螺旋角在不同進(jìn)口速度下的阻力和傳熱性能，結(jié)果表明，隨著螺旋角的增大，螺旋折流板熱交換器的進(jìn)、出口壓降逐漸減小，傳熱系數(shù)也隨之減小。為了保證換熱效率，對(duì)螺旋折流板熱交換器單位壓降下的傳熱系數(shù)進(jìn)行了比較，螺旋角為40°時(shí)熱交換器的綜合性能最好。

汲水[8]以導(dǎo)熱油為殼程工質(zhì)，采用數(shù)值模擬法對(duì)螺旋角為15°～25°的熱交換器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，除了螺旋角為15°的螺旋折流板熱交換器殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和壓降略高于弓形折流板熱交換器的之外，其它螺旋角的殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和壓降均小于弓形折流板熱交換器的。隨著螺旋角的增大，殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與壓降均減小。

目前，對(duì)于最優(yōu)螺旋角并沒有一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)。有的研究者認(rèn)為，最優(yōu)角取決于殼程工質(zhì)的雷諾數(shù)。Xiao等[9]認(rèn)為，普朗特?cái)?shù)Pr不同時(shí)螺旋角的選擇不同，若Pr較大，小螺旋角反而更合適。

在現(xiàn)階段螺旋角對(duì)螺旋折流板熱交換器影響研究中，針對(duì)螺旋角的研究越來越少，更多研究者針對(duì)傳統(tǒng)螺旋板存在的問題提出改進(jìn)措施，并用數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的可行性。

1.2 板形及搭接量

板形及搭接量研究主要針對(duì)搭接螺旋折流板熱交換器展開，不同的板形和搭接量直接影響熱交換器殼程流動(dòng)狀況及壓降，進(jìn)而影響其綜合換熱性能。搭接螺旋折流板熱交換器相比于連續(xù)螺旋折流板熱交換器，其加工制造簡(jiǎn)單，應(yīng)用更廣泛。

搭接螺旋折流板結(jié)構(gòu)上的一個(gè)顯著缺陷是三角區(qū)漏流，即交錯(cuò)相交的2塊板片之間存在明顯縫隙，其對(duì)搭接螺旋折流板熱交換器的換熱性能影響較大。文獻(xiàn)[10]通過分析存在三角區(qū)漏流與堵住三角區(qū)無漏流的熱交換器模型的模擬計(jì)算結(jié)果證明，三角區(qū)漏流使殼程流體流動(dòng)短路現(xiàn)象嚴(yán)重，并使熱交換器整體傳熱系數(shù)、殼程壓降及綜合性能等降低。為減小或消除三角區(qū)漏流，有的研究者提出了不同板形設(shè)計(jì)方案，也有研究者采用增加搭接量以及重疊的搭接方式進(jìn)行改進(jìn)。

文鍵等[11]提出用旋梯式折面折流板替代傳統(tǒng)的扇形板，并通過計(jì)算流體力學(xué)模擬對(duì)螺旋折流板熱交換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。旋梯式折面折流板由經(jīng)過2次彎曲加工后的大平板形成，其中2個(gè)平面垂直于管束軸線，另一平面與2個(gè)平面之間的角度相同。研究結(jié)果表明，旋梯式折面折流板結(jié)構(gòu)消除了三角區(qū)漏流，改善了殼程流場(chǎng)，使得熱交換器殼程流體流動(dòng)更接近于螺旋流，換熱得以強(qiáng)化。該方案使搭接形成的三角漏流區(qū)得到封閉，1個(gè)周期內(nèi)必須的折流板從4塊減少到2塊，同時(shí)降低了定位安裝的難度。

侯蘭雅等[12]為解決螺旋折流板熱交換器加工復(fù)雜和非連續(xù)螺旋折流板相鄰板間的流體泄漏問題，提出了一種階梯式螺旋折流板熱交換器，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)比弓形折流板熱交換器與階梯式螺旋折流板熱交換器的綜合性能。分析結(jié)果表明，階梯式螺旋折流板熱交換器殼程流體呈螺旋狀流動(dòng)，而且綜合性能優(yōu)于弓形折流板熱交換器。

Cao等[13-14]分析了搭接量對(duì)螺旋折流板熱交換器殼程性能的影響，證明相同流量下搭接量越大，單位壓降下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越小?；诖私Y(jié)論，Cao提出了一種六分扇形螺旋折流板熱交換器，即1個(gè)周期采用6塊扇形板，每塊扇形板為1/4橢圓，相鄰2塊扇形板重疊30°進(jìn)行搭接。六分螺旋折流板熱交換器在3個(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)：①擋板兩直邊直角的方案簡(jiǎn)化了制造過程。②1個(gè)螺旋周期需要6個(gè)擋板，增加了擋板數(shù)量，殼程流體流動(dòng)更接近螺旋流。③相鄰隔板之間的周向重疊結(jié)構(gòu)可以減小三角區(qū)漏流。相關(guān)研究表明，這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以抑制三角區(qū)漏流，提高熱交換器的性能。

2 多殼程研究

一般來說，在相同的流動(dòng)面積和布管條件下，螺旋折流板的傳熱系數(shù)比弓形折流板的傳熱系數(shù)低，但其產(chǎn)生的壓降也較低。為了進(jìn)一步提高管殼式熱交換器的傳熱性能，一些研究者引入了多殼程管殼式熱交換器。

Yang等[15]提出了一種具有連續(xù)螺旋折流板的串聯(lián)雙殼程的組合式管殼式熱交換器。此組合式管殼式熱交換器將殼程分為內(nèi)、外2個(gè)單獨(dú)的殼程，內(nèi)殼程為常規(guī)的弓形折流板，外殼程為連續(xù)螺旋折流板，工作時(shí)流體依次流過外殼和內(nèi)殼。采用試驗(yàn)比較了組合式管殼式熱交換器與弓形折流板的雙殼程管殼式熱交換器的熱工水力性能，結(jié)果表明，與弓形折流板的雙殼程管殼式熱交換器相比，組合式管殼式熱交換器具有更大的殼程傳熱系數(shù)和壓降，且在相同壓降下具有更高的傳熱系數(shù)。

汲水等[16]提出了一種新型的雙殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器,采用數(shù)值模擬的方法研究了雙殼程、單殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器及弓形折流板熱交換器殼程的流動(dòng)與傳熱特性。研究結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量流量和對(duì)流傳熱系數(shù)基本相同時(shí)，雙殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器殼程壓降比弓形折流板熱交換器的降低17.7%～23.5%。在雙殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器中，當(dāng)質(zhì)量流量和殼程壓降基本相同時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)比單殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器的高7.1%～12.6%。

段振亞等[17]為了增大螺旋角單位長(zhǎng)度換熱管上螺旋折流板的數(shù)量，提出了一種三螺旋折流板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，并對(duì)三螺旋折流板后殼程內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要研究了雷諾數(shù)Re為1 391～4 174時(shí)殼程的壓降和對(duì)流傳熱系數(shù)。研究結(jié)果表明，與單螺旋折流板熱交換器相比，三螺旋折流板熱交換器殼程對(duì)流傳熱系數(shù)提高了27.9%，綜合傳熱性能較好。

目前，對(duì)多殼程螺旋折流板熱交換器研究多采用數(shù)值模擬的方法，今后的研究過程中需多采用試驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證多殼程螺旋折流板熱交換器的綜合換熱性能。

3 基于熱力學(xué)第二定律研究

傳熱和阻力性能是國(guó)內(nèi)外研究螺旋折流板熱交換器的另一個(gè)主要方面。與熱力學(xué)第一定律相比，熱力學(xué)第二定律更注重能量可利用性。文獻(xiàn)[18]提出了基于熱力學(xué)第二定律分析的熱交換器性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，Bejan[19-20]提出的熵產(chǎn)數(shù)被廣泛應(yīng)用于熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[21-23]。然而，現(xiàn)階段關(guān)于螺旋折流板熱交換器的熱力學(xué)第二定律分析研究較少。

Wang等[24]運(yùn)用熱力學(xué)第二定律分別對(duì)連續(xù)螺旋折流板熱交換器和弓形折流板熱交換器進(jìn)行了性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，基于熱力學(xué)第二定律比較，在相同雷諾數(shù)下，螺旋折流板熱交換器比弓形折流板熱交換器平均降低了30%和68%的熵產(chǎn)數(shù)和火用損失，證明了連續(xù)螺旋折流板熱交換器比弓形折流板熱交換器具有更好的性能。

Leong等[25]比較了以納米流體為冷卻液的弓形折流板以及25°和50°中間重疊螺旋折流板熱交換器的傳熱和熵產(chǎn)性能。研究結(jié)果表明，25°螺旋折流板熱交換器的傳熱速率最高，而50°螺旋折流板熱交換器的熵產(chǎn)數(shù)最低。此文僅對(duì)2種角度的螺旋折流板熱交換器進(jìn)行了比較，要綜合考慮螺旋折流板熱交換器的傳熱和熵產(chǎn)性能，加入其他角度的螺旋折流板熱交換器對(duì)比分析十分必要。

Gao等[26]對(duì)螺旋角分別為8°、12°、20°、30°和40°的5種非連續(xù)螺旋折流板熱交換器的流動(dòng)阻力和換熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和比較，采用熱力學(xué)第二定律分析折流板螺旋角對(duì)熱交換器不可逆損失的影響。結(jié)果表明，螺旋角較小的熱交換器殼程壓降和傳熱系數(shù)均高于螺旋角較大的熱交換器。但在相同殼程雷諾數(shù)的情況下，較大螺旋角的流動(dòng)阻力較低，換熱性能更好。螺旋角為40°的螺旋折流板熱交換器綜合性能最好。在熱力學(xué)第二定律比較中，用改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)和火積耗散數(shù)理論來估計(jì)熱交換器的不可逆性。分析表明，小螺旋角的改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)和火積 耗散數(shù)均小于大螺旋角的。

Guo等[27]從熱力學(xué)第二定律的角度研究了螺距分別為50 mm、110 mm、160 mm和210 mm的4種連續(xù)螺旋折流板熱交換器，結(jié)果表明，在相同工況下，改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)隨螺距的增大而增大，其中螺距為110 mm的熱交換器綜合性能最好。此外，螺距為110 mm、160 mm和210 mm的熱交換器在較低雷諾數(shù)下使用更有效，而螺距為50 mm的熱交換器可在較寬的雷諾數(shù)有效范圍內(nèi)使用。

現(xiàn)階段運(yùn)用熱力學(xué)第二定律對(duì)螺旋折流板熱交換器的研究，多集中在單殼程螺旋折流板熱交換器上，今后的研究過程中可以將組合式多殼程螺旋折流板熱交換器作為研究對(duì)象。

4 結(jié)語(yǔ)

螺旋折流板熱交換器的研究主要集中在改進(jìn)熱交換器的結(jié)構(gòu)上?？偟膩碚f，單殼程連續(xù)螺旋折流板熱交換器優(yōu)于弓形折流板熱交換器或不連續(xù)螺旋折流板熱交換器，但制造難度較大，特別是在需要大尺寸螺旋折流板時(shí)。與具有扇形折流板或螺旋折流板的單殼程管殼式熱交換器相比，具有螺旋折流板的復(fù)合式多殼程管殼式熱交換器的綜合傳熱性能得以提高。組合式單殼程熱交換器和組合式多殼程熱交換器都可以簡(jiǎn)化熱交換器的制造和安裝，可以取代工業(yè)上傳統(tǒng)的弓形折流板熱交換器。與傳統(tǒng)的弓形折流板和經(jīng)典的螺旋折流板相比，新的改進(jìn)結(jié)構(gòu)雖然在換熱和流動(dòng)性能上有了一定的改善，但仍缺乏相互之間的比較，各種改進(jìn)結(jié)構(gòu)在不同工況下的適用性分析也不足，而且缺乏試驗(yàn)或數(shù)值模擬驗(yàn)證，需要進(jìn)一步研究。