螺旋折流板換熱器的研究與應(yīng)用進展

魯佳　田雅婧　李鵬飛　黃偉　孫四中　張江云

摘 要 針對近年來螺旋折流板換熱器在國內(nèi)已取得的成果，從螺旋折流板的結(jié)構(gòu)形式、布置形式等方面總結(jié)研究進展，并從螺旋折流板換熱器設(shè)計、制造、應(yīng)用等方面進行總結(jié)，為螺旋折流板換熱器在核動力裝置領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 螺旋折流板 研究現(xiàn)狀 應(yīng)用進展 核動力裝置

中圖分類號 TQ051.5? ?文獻標(biāo)識碼 A? ?文章編號 0254?6094（2023）02?0131?09

核動力裝置中主要采用管殼式換熱器實現(xiàn)熱能交換，管殼式換熱器強化傳熱是核動力裝置緊湊化、小型化的重要研究方向，采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)是目前研究者認為強化管殼式換熱器換熱效果較好的方式之一［1］。螺旋折流板換熱器是LUTCHA J等于20世紀90年代提出應(yīng)用于核動力裝置中的熱交換器［2～5］，并于1994年由美國

ABB公司開發(fā)出系列產(chǎn)品。我國于1998年首次將螺旋折流板換熱器應(yīng)用于撫順石油二廠煉油裝置［1］。螺旋折流板換熱器通過改變殼程折流板的結(jié)構(gòu)或布置形式，使殼程工作介質(zhì)呈螺旋或近似螺旋流動，這種螺旋流動是介于橫向流動與縱向流動之間的一種特殊流動方式［6］，可避免殼程流體形成流動死區(qū)，強化殼程傳熱，使單位壓降下的傳熱系數(shù)得到一定程度的提高［7］。

筆者針對近年來螺旋折流板換熱器研究與應(yīng)用在國內(nèi)已取得的成果，從性能優(yōu)化研究進展、設(shè)計制造研究進展、應(yīng)用進展等方面進行調(diào)研、分析和總結(jié)，為螺旋折流板換熱器在核動力裝置領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

螺旋折流板換熱器與常見的弓形折流板換熱器結(jié)構(gòu)類似，主要由管箱、殼體、傳熱管束、管板及折流板等組成。由于采用的折流板結(jié)構(gòu)形式或布置形式不同，研究者提出了不同的研究內(nèi)容。筆者根據(jù)螺旋折流板的結(jié)構(gòu)形式或布置形式的不同進行分類，并按各類別進行文獻調(diào)研、分析和總結(jié)，供研究者參考。

1.1 螺旋曲面連續(xù)性的研究

根據(jù)螺旋折流板所形成的螺旋曲面是否連續(xù)分為連續(xù)螺旋折流板［8］和非連續(xù)（搭接）螺旋折流板［9，10］。由于后文研究的螺旋折流板均為非連續(xù)螺旋折流板，因此，本節(jié)僅對連續(xù)螺旋折流板部分研究進行總結(jié)，結(jié)果見表1。由表1可總結(jié)出以下幾點：

a. 螺旋折流板換熱器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的，這主要是因為連續(xù)螺旋折流板使工作介質(zhì)在殼程內(nèi)做螺旋柱塞狀流動，流動均勻穩(wěn)定，提高了換熱性能；同時，螺旋柱塞狀流動減小了流動“死區(qū)”，有利于抑制結(jié)垢，弱化了橫向流動，有利于克服由橫向流動掠管引起的流致振動。

b. 由于連續(xù)螺旋折流板換熱器克服了非連續(xù)折流板因搭接形成的三角短路漏流區(qū)導(dǎo)致的實際流動偏離理想螺旋流動［11］，因此其性能優(yōu)于后者的。

c. 由于受到連續(xù)螺旋折流板成型及鉆孔等制造工藝的限制，大部分研究者采用數(shù)值模擬的研究方法，這也說明了螺旋折流板的制造工藝是其目前推廣應(yīng)用的瓶頸難點。

d. 由于殼程側(cè)進側(cè)出螺旋板換熱器有利于形成螺旋流動［12］，其性能要優(yōu)于正進正出結(jié)構(gòu)的，此結(jié)論適用于所有結(jié)構(gòu)的螺旋折流板換熱器。

e. 帶旁路擋板連續(xù)螺旋折流板殼側(cè)換熱系數(shù)和壓降均提高，這主要是因為在旁路擋板作用下，流體變向后流經(jīng)管束區(qū)，提高了殼程流體沖刷作用［13］。

1.2 螺旋角與螺距的研究

根據(jù)螺旋角是否變化分為定螺角螺旋折流板和變螺角螺旋折流板［16，17］。螺旋角的變化會引起螺距的變化，相關(guān)的研究總結(jié)見表2。

由表2可總結(jié)出以下幾點：

a. 螺旋角越小，整個換熱器內(nèi)螺旋周期數(shù)越多，流道路徑越長，在相同的流量下，流體在換熱器中的湍動也會更加強烈，傳熱系數(shù)更高，同時壓降也會增大。另外，小螺旋角還可減小管束無支持跨距，弱化流致振動的影響。

b. 變螺距或變螺旋角螺旋折流板利用折流板角度的組合變化，達到“疏導(dǎo)”漏流區(qū)的目的，減小三角區(qū)漏流對換熱器綜合性能的影響［16］，并且變螺距或變螺旋角螺旋折流板能夠改善殼程進口螺旋流動的充分發(fā)展，增強殼程的整體螺旋流動，強化換熱器傳熱［17］。

c. 目前部分文獻存在將螺旋角、傾斜角混用，導(dǎo)致評價標(biāo)準不統(tǒng)一的問題。李彥晴等提出當(dāng)量螺旋角的概念，對于非連續(xù)螺旋折流板換熱器，當(dāng)量螺旋角為相同螺距下連續(xù)螺旋折流板外徑處的傾斜角度，而對于連續(xù)螺旋折流板，當(dāng)量螺旋角為折流板螺旋角；他們還認為對換熱器性能起決定作用的是當(dāng)量螺旋角［20］。

1.3 螺旋折流板搭接方式的研究

根據(jù)前后兩塊螺旋折流板搭接的相對位置可分為連續(xù)搭接螺旋折流板［23］、交錯搭接螺旋折流板［10，24］和周向重疊螺旋折流板。連續(xù)搭接是指折流板外圍點接觸搭接（見1.1節(jié)）；交錯搭接（軸向搭接）是指折流板直邊交叉點接觸搭接［23］；周向重疊螺旋折流板是指相鄰兩塊折流板之間周向方向重疊搭接［19，25］。螺旋折流板搭接方式部分研究總結(jié)見表3。

螺旋折流板換熱器的折流板首尾相連形成近似螺旋通道，使流體在離心力和向心力的共同作用下形成迪恩渦二次流，從而增強主流區(qū)域流體與靠近壁面流體的摻混，實現(xiàn)強化傳熱［29］。連續(xù)搭接使相鄰兩張橢圓形或扇形平板搭接存在三角間隙，流體在間隙內(nèi)形成三角漏流區(qū)。交錯搭接使相鄰兩張橢圓形或扇形平板搭接在靠近殼體中心的三角區(qū)和靠近殼體邊緣的三角區(qū)，形成X形漏流區(qū)［10］；中心三角區(qū)和邊緣三角區(qū)對殼側(cè)換熱系數(shù)和阻力的影響不同，且隨著搭接量而變化［24］。周向重疊搭接使相鄰折流板的周向重疊區(qū)穿過同一排管子，可對相鄰折流板三角區(qū)通道壓差泄漏形成阻尼作用，從而抑制逆向漏流實現(xiàn)強化傳熱；另外，周向重疊三分螺旋折流板更加適合正三角形排列布管方案［30］。董聰?shù)仍诜治鱿噜徴哿靼迦菂^(qū)的泄漏方向時指出，折流板軸向搭接方案開啟了通向下游的捷徑，對繞行的主流不利，并通過多次試驗證明交錯搭接方案的性能不如具有同樣傾斜角且折流板總數(shù)較少的相鄰折流板在外圈連接的非軸向搭接方案［28］。

1.4 螺旋數(shù)量的研究

螺旋折流板按照殼程空間劃分螺旋數(shù)量分為單螺旋折流板［23，31］、雙螺旋折流板［23，31，32］和三螺旋折流板［30］。螺旋數(shù)量部分研究總結(jié)見表4。

殼程空間劃分螺旋數(shù)量越多，殼側(cè)換熱系數(shù)、壓降、綜合性能相對越高，這主要有3個原因：

a. 多螺旋折流板結(jié)構(gòu)將殼程分成多個流道，多股流體同時繞流管束，具有更強的導(dǎo)流作用［31］；

b. 單個螺距內(nèi)，多螺旋折流板的傾斜角度要小于少螺旋結(jié)構(gòu)的，且布置折流板的數(shù)量也要多［33］；

c. 多螺旋折流板結(jié)構(gòu)較少螺旋折流板結(jié)構(gòu)能更好地封堵三角漏流區(qū)域，減小漏流區(qū)域［32］。

多螺旋空間可布置更多的螺旋折流板，更有利于防止管束由于跨距過長而產(chǎn)生振動［31］。但同時，多螺旋折流板增加了螺旋折流板的數(shù)量，增大了螺旋折流板與管束的組裝難度。

1.5 單片螺旋折流板大小的研究

根據(jù)單個螺距內(nèi)布置螺旋折流板的片數(shù)分為兩分螺旋折流板［35］、三分螺旋折流板［36］、四分螺旋折流板［37］和六分螺旋折流板［38］。螺旋折流板大小部分研究結(jié)果見表5。

目前，研究者開展的兩分（旋梯式）螺旋折流板、三分螺旋折流板、四分螺旋折流板、六分螺旋折流板研究工作，均得出性能優(yōu)于弓形折流板的結(jié)論，主要原因是在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中減小了螺旋流在折流板搭接區(qū)域的三角漏流區(qū)，改善了旋流特性，提高了強化效果。但是，很少有研究者針對相同參數(shù)條件下螺旋板大小對換熱器性能以及螺旋折流板裝配、安裝的影響進行研究。

1.6 螺旋折流板板面成形結(jié)構(gòu)的研究

根據(jù)單塊螺旋折流板板面成形結(jié)構(gòu)形式可以分為扇形螺旋折流板［38］（平面式螺旋折流板）、旋梯式螺旋折流板［35，39，40］、折面螺旋折流板［41］和階梯式螺旋折流板［42］。平面式螺旋折流板一般呈扇形結(jié)構(gòu)，1.2節(jié)中的折流板均為平面式螺旋折流板；旋梯式螺旋折流板由平板折彎后形成兩個與管束垂直的平面和一個與管束呈一定夾角的平面［40］；折面螺旋折流板是旋梯式螺旋折流板的特殊情況［41］；階梯式螺旋折流板是由分別與管束平行和垂直的平板交替搭接形成的螺旋折流板［42］。

螺旋折流板板面成形結(jié)構(gòu)部分研究總結(jié)見表6。

由表6可總結(jié)出以下幾點：

a. 旋梯式、階梯式螺旋折流板封閉了三角泄漏區(qū)，增加了螺旋流量，殼程流體的切、徑向速度明顯增加，切向速度產(chǎn)生離心力，在離心力作用下形成徑向二次流，增加了流體擾動幅度，使邊界層減?。粡较蛩俣绕仁沽黧w往管束中心流動，而此處有效換熱面積大，從而強化了換熱器殼側(cè)傳熱性能［35，39］。

b. 旋梯式、階梯式螺旋折流板封閉了三角泄漏區(qū)，引起殼側(cè)壓降增加，但由壓降增加引起的泵耗功率的增大幅度較?。?5，39］。

c. 對于旋梯式螺旋折流板，折彎度越小，綜合性能越高，且隨著切割百分數(shù)的減小或折彎角的增大，綜合性能先增強后減弱［40］。

d. 旋梯式、階梯式螺旋折流板較扇形螺旋折流板，具有折定位、鉆孔方便簡單等優(yōu)點［35，39］。

1.7 螺旋折流板換熱器設(shè)計計算的研究

螺旋折流板換熱器基本結(jié)構(gòu)仍為管殼式換熱器，但其折流板結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)管殼式換熱器的殼程流動特性，其設(shè)計計算沒有統(tǒng)一的標(biāo)準規(guī)范，研究者們針對螺旋折流板換熱器的設(shè)計計算做了一些研究工作。

張劍飛等介紹了螺旋折流板換熱器的熱力設(shè)計方法，并選用一臺實際應(yīng)用的螺旋折流板油冷器進行實驗測試，證明了所提熱力設(shè)計方法可以基本滿足工業(yè)設(shè)計的初步要求［44］。陳貴冬等通過對比連續(xù)螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，提出一種基于最大流速比的連續(xù)螺旋折流板換熱器熱力設(shè)計方法，并以油冷器、干式蒸發(fā)器兩個設(shè)計實例的測試驗證了該設(shè)計方法的可靠性［45］。伍美和胡大鵬提出基于微分法的多管程螺旋折流板換熱器分段傳熱算法，并編制程序軟件，為螺旋折流板換熱器的熱工水力設(shè)計計算提供了參考［46］。常佳等對比分析了螺旋折流板換熱器數(shù)值模擬結(jié)果和工程半經(jīng)驗算法的計算結(jié)果，認為工程半經(jīng)驗算法得到的傳熱系數(shù)偏低［47］。徐榮介紹了用于螺旋折流板換熱器設(shè)計和校核的熱力設(shè)計方法［48］。劉朋標(biāo)和朱為明開發(fā)了輔助HTRI軟件的螺旋折流板換熱器工藝計算程序［49］。王密等利用HTRI軟件對螺旋折流板換熱器進行設(shè)計，考察了多種變量對螺旋折流板換熱器的影響［27］。王鳳林等給出了螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)尺寸計算方法［50］。

1.8 螺旋折流板換熱器制造技術(shù)的研究

螺旋折流板換熱器改變了傳統(tǒng)管殼式換熱器的殼程結(jié)構(gòu)，但是螺旋折流板難以加工是螺旋折流板換熱器阻礙螺旋折流板熱交換器普及應(yīng)用的最大因素之一，為此研究者們針對螺旋折流板換熱器開展了一些研究工作。

宋素芳介紹了非連續(xù)和連續(xù)螺旋折流板換熱器的制造技術(shù)，并且詳細介紹了非連續(xù)螺旋折流板的下料、制作胎具及鉆孔接行，對連續(xù)折流板兩種制造方法進行了說明和比較，可以更好地促進螺旋折流板換熱器的研究和制造［51］。王晨等利用空間幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了3種螺旋折流板的邊長、夾角以及連續(xù)和交錯搭接時螺距的計算公式，并介紹了螺旋折流板管孔和外圓的加工方法以及管束的組裝工序［52］。楊繼宏和郭傳東分析并介紹了螺旋折流板的加工方法，設(shè)計了螺旋折流板加工所用的平臺劃線、鉆孔和立車3種專用工裝［53］。陳亞平和吳嘉峰介紹了一種螺旋折流板熱交換器扇形折流板激光切割加工的新方法，該方法基于任何傾斜平面與圓柱面的相貫線是橢圓的原理［54］。金躍等介紹了連續(xù)型螺旋折流板式換熱器折流板沖壓、鉆孔、車削、立架子組對及穿管工藝等［55］。

2 螺旋折流板換熱器的工程應(yīng)用進展

李豪介紹了連續(xù)螺旋折流板在某純堿企業(yè)重堿車間壓縮機末冷卻器的應(yīng)用情況，運行情況表明，與改造前弓形折流板相比，壓降減少約30%，降低了壓縮機的輸送動力和運行費用；減少了殼側(cè)污垢沉積，設(shè)備清洗周期延長1～2年；設(shè)備制造費用增加了不到30%［56］。

張智等介紹了某石化設(shè)備制造廠制造推廣應(yīng)用的螺旋折流板換熱器在煉化領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析數(shù)據(jù)表明，產(chǎn)品主要應(yīng)用在煉油、乙烯、化肥及公用工程等領(lǐng)域，設(shè)備的分布直徑為400～2 500 mm，運行參數(shù)達到400 ℃以上和高壓范圍，換熱類型分為無相變和冷凝類，換熱介質(zhì)包括氣體、氣體冷凝、液體等，換熱管有光管、各種高效管等。螺旋折流板換熱器對于原油、渣油等粘稠性介質(zhì)的換熱強化和減緩結(jié)垢作用明顯，在常減壓裝置的應(yīng)用比例達到50%以上［57］。

胡登艷介紹了螺旋折流板換熱器在微正壓原穩(wěn)中的應(yīng)用情況，結(jié)果表明與原弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板換熱器安裝后日均多處理原油1 318 t，日均輕烴產(chǎn)量多26 t，日均耗氣量減少1 223.7 m3，噸烴耗氣量減少7.97 m3，噸油耗氣量減少0.66 m3，且殼程系統(tǒng)壓降減少了0.37 MPa，穩(wěn)前原油溫差提高16.6 ℃，穩(wěn)后原油溫差提高36.6 ℃，換熱效率明顯提高［58］。

徐榮介紹了螺旋折流板換熱器在微正壓原穩(wěn)中的改造應(yīng)用情況，結(jié)果表明，改造后系統(tǒng)壓力降低31.25%，出口溫度提高6.78%～27.00%，在運行一個周期后，管束基本無結(jié)垢現(xiàn)象，腐蝕較?。?8］。

3 結(jié)論

3.1 大量數(shù)值模擬計算和試驗研究表明，螺旋折流板換熱器的綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)弓形折流板換熱器，具有很好的應(yīng)用前景。

3.2 目前針對螺旋折流板換熱器的研究主要集中于螺旋折流板的結(jié)構(gòu)形狀或布置形式以及強化傳熱機理。

3.3 螺旋折流板換熱器殼側(cè)熱工水力計算是螺旋折流板換熱器設(shè)計的關(guān)鍵，目前與此相關(guān)的研究工作較少，仍需進一步以數(shù)值模擬與實驗分析相結(jié)合的方式開展研究。

3.4 針對螺旋折流板換熱器的制造，目前主要針對折流板成形、鉆孔、換熱管穿管等開展研究工作，在今后的研究中，這些仍將是螺旋折流板換熱器推廣應(yīng)用瓶頸技術(shù)，將繼續(xù)成為螺旋折流板換熱器設(shè)計的研究熱點。

3.5 部分研究者給出了螺旋折流板換熱器工程應(yīng)用案例，但對應(yīng)用收益量化較少，例如綜合性能提高、傳熱能力強化、防垢能力提高、經(jīng)濟效益提高等指標(biāo)的量化仍較少。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-05-28，修回日期：2023-02-27）

Progress in Research and Application of the Helical

Baffle Heat Exchanger

LU Jia，TIAN Ya?jing， LI Peng?fei， HUANG Wei， SUN Si?zhong， ZHANG Jiang?yun

（Nuclear Power Institute of China）

Abstract? ?In view of the achievements in both domestic development and application of the helical baffle heat exchanger， the research progress in the helical baffle structure and layout in recent years were summarized， including the progress in its design， manufacturing and application. It can provide reference for its research and application in nuclear power device.

Key words? ? helical baffle， research status， application progress， nuclear power device

基金項目：四川省科技計劃資助項目（2019ZDZX0001）。

作者簡介：魯佳（1989-），工程師，從事核動力裝置設(shè)備的設(shè)計與研究工作，lujia989@163.com。

引用本文：魯佳，田雅婧，李鵬飛，等.螺旋折流板換熱器的研究與應(yīng)用進展［J］.化工機械，2023，50（2）：131-139.