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管壳式换热器壳侧强化传热与管束支撑方式的研究进展

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    摘要:从管壳式换热器壳侧管束支撑方式和强化传热的角度,综述了从弓形折流板换热器、折流杆式换热器到螺旋折流板式换热器的研究进展,特别介绍了一种适合正三角形布管的三分螺旋折流板换热器的新型结构,并指出非连续折流板螺旋换热器中相邻折流板形成的三角区的泄漏是方向指向上游的有益流动,而目前常用的螺旋折流板轴向搭接方案则开启了一条指向下游的旁通捷径,将影响绕行主流正常流动和传热。
    关键词:管壳式换热器;螺旋折流板换热器;壳侧传热强化;三分螺旋折流板
    中图分类号:TK124,TQ 051. 5　文献标识码:A　文章编号: 1004-7948(2009)03-0017-04
    引言
    随着全球能源和环境危机的凸显,节能减排日益成为各国能源与环境战略制定和能源相关行业研发应用的重要考虑因素。换热器强化传热作为有效的节能措施也逐渐成为一个热点研究领域。
    换热器是一种普遍使用于各行业的过程设备, 其中管壳式换热器约占换热器总量的70%,作为最常用的一类换热器,特别适合于高温高压的应用场合,并且能够适合各种传热传质过程,最具灵活性。管壳式换热器的强化传热分为管内和管外两方面, 其中壳侧流动与换热越来越成为这种换热器革新、完善的重点[1-2]。
    1.不同换热器管束支撑方案
    管壳式换热器中的折流板同时起着支撑管束和 约束壳侧流体介质的流动通道的作用。最初的折流 板形式为弓形,后来又衍生出其他类型。
    1. 1弓形折流板换热器
    流体在弓形折流板换热器壳侧的流动是沿反复曲折通道前行的,流动方向的周期性变化可以反复以横掠的姿态冲刷管束,提高流速,增大壳侧的换热系数[3]。弓形折流板换热器壳侧的流动状况如图1所示。
    由于弓型折流板结构简单,制造、安装比较容易,因而应用最普遍,但也存在一些弊端,如有流动 死区,沿程压降较大,容易积垢。由于在弓形折流板窗口处管束的支撑距离是中部管束的两倍,该区域 流体在完成180度转向过程中对管束产生更多的扰动力,在较高的质量流速下易诱导换热管的振动,从而成为换热管破坏的主要原因,缩短了换热器的使用寿命[4]。
                
    1. 2  折流杆换热器
    折流杆换热器是一种对换热管支撑方案改进的管壳式换热器。20世纪70年代,美国某炼油厂几台弓形折流板换热器因流体诱导管束振动,造成管子在折流板管孔处发生裂断,导致装置多次紧急停车。后采用杆条来替代折流板,结果在实际运行中换热器的性能大为改善。从此,折流杆换热器便逐渐风行于石油化工等行业。我国在20世纪80年代开始折流杆换热器的研究工作,并已在一些生产实践中应用[5-6]。
    折流杆除了有对管束的支撑作用外,还具有消减流体对管束的横向冲刷和诱导振动,有效增加流场均匀性,减少流动阻力及减轻污垢形成等作用,在设计合理时,传热系数也可提高。但是,由于此类换热器的设计、制造和安装比较复杂,特别是若采用正三角形布管则尤其困难,目前多以正方形布管方案 为主(见图2)。当换热器壳体直径较大,纵向流动速度偏低时,传热性能将受影响;此外,由于折流圈占去一些布管区域,使得在某些场合下,改造后的换热器要达到或超过原有换热器的性能比较困难,因而限制了此类换热器的广泛应用。

                       
    1. 3 螺旋折流板换热器
    1. 3. 1螺旋折流板换热器的研究现状
    涡旋或螺旋流动一直是强化传热的有效手段, 从壳侧流体由纵向或蛇形横向流动方向改变为螺旋状流动的角度产生了螺旋折流板换热器的构想,但由于连续螺旋曲面的加工及安装难度很大, 20世纪 八、九十年代捷克科学家发明了非连续的1/4螺旋形折流板换热器[7],采用一系列1/4扇形折流平板 来代替螺旋曲面(见图3)。此项技术后被美国AB 公司买断[8],后又转让给CB& I公司,据ABB Lum musHeat transfer公司公布,自1994~2007年3月 该公司共完成349个项目,共计1350台(套)螺旋折流板换热器的设计和制造。我国大庆石油化工机械厂等单位也参与了应用ABB公司技术的部分制造和应用实践。其他另有一些单位则选择自主开发,近几年也得到了一些发展。
                     
    不少研究者采用数值模拟和实验研究手段,对螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器进行对比。结果表明,螺旋折流板换热器的单位压降的换热系数性能要优于弓形折流板换热器,并大致确定性能最佳时的螺旋角或倾斜角为40度左右[8-14]。
    螺旋折流板式换热器强化传热机理有下列一些因素:流体在壳侧的螺旋流动更接近柱塞流动,提高了传热温差;螺旋流动使壳侧流体存在径向的速度 梯度并破坏了边界层;由于螺旋流动带来的二次流现象,可增大各层流体之间的能量与动量交换。 螺旋折流板按照裁剪方法可分为椭圆和扇形, 其中扇形裁剪方案以对称和在相同倾斜角下螺距较大的特点被广泛应用。按流道又可分为单螺旋和双螺旋。文献[13]中进行了单和双螺旋通道的数值模拟对比,结果表明双螺旋通道的性能较单螺旋通道并未有明显提高。双螺旋通道主要应用于大型换热器采用较大的倾斜角,而又希望缩小管束支撑距离的场合。
    管壳式换热器的布管方式分为三角形排列和正方形排列。1/4螺旋折流板通常采用正方形排列管束方案,又分为正方位排列和转角排列。由于三角形布管在管间距相同时较紧凑且呈现叉流流动,因而更受用户青睐,其应用比例占到管壳式换热器总数的90%以上。而1/4螺旋折流板上采用三角形排列布管方式会造成至少在一条边上有半个孔的情 况,给折流板倾斜管孔的加工造成困难,且折流板零 件数目也较多。
    1. 3. 2三分螺旋折流板换热器
    在1/4螺旋折流板换热器问世后的近20年里, 未见有国内外同行就1/4螺旋折流板方案不适合正三角形排列布管之事进行质疑,几乎无人考虑布管方式与折流板结构设计的关联。针对以上问题,陈亚平[15]提出了三分螺旋折流板换热器方案,其结构如图4所示,并申请了国家发明专利。
                     
    图5(a)显示了三分螺旋折流板的1/3分区布 管方案。该方案的优点是由于区域内部布管对称, 折流板设计比较方便,并可利用相邻分隔区域之间 的间隔在两端封头中布置分隔板,形成三管程管内 流动。而壳侧为单程的换热器采用三管程流动时可 比目前常用的偶数管程更接近逆流传热。图5(b 为管板中心布管相邻折流板直边重叠的三分螺旋折流板方案,其特点是相邻折流板的两条直边周向重 叠穿过一排管子。

                    
    三分螺旋折流板换热器除秉承了1/4螺旋折流板换热器的诸多优势外,还特别适合于正三角形布管方案,且可减少折流板零件。该项创新将使原先很难大规模应用的螺旋折流板式换热器具有了普及应用的可能。
    2 螺旋折流板换热器的两个共性问题
    2. 1三角区泄漏问题
    非连续螺旋折流板换热器中相邻折流板形成的三角区通常被认为是造成泄漏及降低效率的有害因素。陈亚平[15]分析认为三角区的存在并不一定是负面的。由图6[16]可见,在三角区的流动方向是朝 向上游通道,第k个螺旋通道的流体进入第k-1级螺旋通道后,流体绕行一周后又会流回到k级的通道,最终可使各通道的流量和速度增加,这是有益的;另一方面,非连续性折流板可以更加有效地破坏 边界层的生长,使得主流区流体与附着在折流板壁面上的流体交换位置,从而强化传热。
                    
    宋小平等[17]进行的螺旋折流板换热器应用研究表明,壳程采用螺旋折流板比采用弓形折流板确实具有减少壳程流体压力降的效果,但对于壳程换热效率的提高却不十分明显,某些换热器,尤其是大直径换热器采用螺旋折流板后,其换热效率甚至不如弓形折流板。宋小平等将出现这种情况的主要原因归咎于非连续折流板三角区的泄漏。文献[19] 设计出一种防短路的折流板结构,如图7所示。新型防短路螺旋折流板在原扇形折流板的基础上将两侧直边同时加宽1排或2排管距宽度,相邻2块扇形板的直边以交叉重叠方式连接。
                          
    在三角区,由于第k个螺旋通道的流体是携速度动能从低压进入高压的第k-1级螺旋通道,上述将折流板的直边加宽,形成较大的周向重叠的方法有助于正向流动,防止上游螺旋通道内的流体通过三角区向下游通道逆向泄漏,因而这是值得推荐的方法。对于三分螺旋折流板换热器可以采用如图8所示的方案。
                     
    由上述可知三角区无害甚至可进一步上升为非连续螺旋折流板可能优于连续折流板。此观点还可 从以下方面得到支持:文献[16]中对在相邻折流板 的三角区加上阻流板的方案与不加阻流板的方案的 性能进行比较,结果是后者性能更好;文献[18]中 得出了连续折流板换热器方案的综合性能反而不如 非连续折流板换热器的实验结果;文献[14]中比较 了连续螺旋折流板换热器方案与弓形折流板换热器方案的传热效果,结果表明前者单位压降的换热系数仅高出后者数值约10%。与其他文献提供的非连续螺旋折流板换热器比弓形折流板换热器增大 50% ~80%的数值差距甚大,使人不禁感到连续螺旋折流板的强化效果很有限。与上述观点可以类比的例子是板翅式换热器采用非连续的锯齿翅片就比连续的波纹翅片的效率高得多。