以螺旋角18°为例,研究了螺旋折流板换热器传热系数与压降的变化,并给出了螺旋折流板换热器的传热系数与压降相关的计算公式。该结果可为系统仿真和螺旋折流板换热器的设计计算提供借鉴。

20世纪60年代,基于弓形折流板换热器的结构,从改变折流板布置方式的角度提出了螺旋折流板换热器的思想。螺旋折流板换热器是将折流板布置成近似的螺旋面,使换热器中的壳侧流体实现连续的螺旋状流动,以达到有效降低壳侧的流动阻力及强化传热的目的。上世纪90年代出现了这种新型管壳式换热器的商业产品。虽问世已有近10a,但对这类换热器的研究却很少见到公开报道,甚至1998年以后出现的文章与最初公布的研究结果几乎相同。在美国和欧洲,有些公司已生产了螺旋折流板换热器,可是开发这些设备的研究结果并未在公开文献上报道[1,2]。

文中以螺旋角18°为例,对螺旋折流板换热器传热系数及压降的变化情况进行了实验研究,目的是为螺旋折流板的系列化和工业化做一些实验上和理论上的准备,为进一步开发新型高效螺旋折流板换热器提供一定的参考。

1　实验装置与流程

1.1　主要设备及仪器实验在我校换热器性能综合测试实验台上进行,主要测试仪表和设备为:精密温度计、U形管压差计、流量计、LZB 100转子流量计并联以及实验用单壳程螺旋折流板换热器。实验用螺旋角为18°的螺旋折流板换热器的壳体规格为 250mm,2管程,单壳程,换热管规格为 19mm×2mm×2500mm。

1.2　实验流程实验流程图见图1。本实验装置主要包括2个回路及4个部分。2个回路分别为换热系统的管程回路和壳程回路。冷流体走壳程,热流体走管程。实验时分别对水 水换热和水 油换热进行测试。4个部分包括冷水储罐、热水储罐及加热系统、热油储罐及加热系统以及循环动力系统。为使实验温度容易控制,实验中的加热系统采用电热加热。

1.3　实验方法

分别对螺旋角为18°的螺旋折流板换热器进行水 水换热、水 油(柴油)换热两种实验。以螺旋折流板换热器水 水换热测试为例具体说明测试过程:①壳程阻力测试。改变壳程介质的体积流量,同时记录不同体积流量下U形管压差计的读数。②壳程传热测试。在管程体积流量一定的情况下,改变壳程的体积流量,同时分别测量并记录管程及壳程的入口和出口温度,通过简单数据处理得到该实验结构下不同体积流量时的壳程传热系数值。为了确保试验数据的准确性,对系统进行了保温,并规定了测定的体积流量范围及参数,管程体积流量确定为13m3/h。对壳程阻力性能,在室温下测量壳程阻力改变,壳程体积流量的变化范围为0～20m3/h;对壳程传热性能,壳程体积流量的测量范围0～20m3/h。

2　数据处理

整个测试过程包括壳程传热系数和壳程压降两部分。根据数据及相关的公式建立壳程传热系数及压降公式的基本形式。

2.1　壳程传热系数

根据Kern法推导出螺旋折流板换热器壳程传热系数基本形式:

3.1 壳程传热系数

应用Kern法推导螺旋折流板换热器壳程传热系数计算公式的基本模型，将实验数据依次带人模型，并应用SIGMAPLOT 软件确定式中的待定参数。

当介质体积流量在0～20 m。/h变化时，在实验条件下，螺旋角为18°的螺旋折流板换热器壳程传热系数以及螺旋折流板单位压降随体积流量的变化曲线分别见图2和图3。

从图2可以看出，随着体积流量的增大，湍流度增强，螺旋折流板换热器壳程传热系数有所提高。这是由于螺旋折流板壳程结构特殊，柴油或水在壳程螺旋通道内流动时，柴油或水与管壁的剪切运动可以减薄边界层，减少传热热阻，达到强化传热的效果。因此，螺旋折流板换热器在较大体积流量下更能发挥其强化传热的优势。

从图3可以看出，随着壳程体积流量的增大，螺旋折流板换热器壳程压降有所减少，可以降低能量消耗。

(1)螺旋折流板换热器壳程传热系数及壳程压降的大小与折流板的螺旋角和介质流量的大小有直接关系。

(2)文中所得计算公式对螺旋折流板换热器的结构设计和强度设计具有一定的参考价值，但由于壳程压降计算的影响因素太多，因此，所得公式有一定的不足，有待今后进一步改进。其中包括通过增加实验介质、增多螺旋角角度等方法加大实验的数据量以提高公式的精度。