不同折流板换热器,传热与流阻性能对比[摘要]热设备在化工过程中起着至关重要的作用,其投资费用一般占全部投资费用的40%左右.传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,高效换热器的研究越来越得到重视.螺旋折流板换热器就是最近出现的一种高效传热的换热器.

换热设备在化工过程中起着至关重要的作用,其投资费用一般占全部投资费用的40%左右.传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,高效换热器的研究越来越得到重视.螺旋折流板换热器就是最近出现的一种高效传热的换热器.螺旋折流板换热器突破了壳程介质流横向垂直和管子相切的传统观念,流体在壳侧呈连续柱塞状螺旋流动(即plug流),不会出现传统折流板换热器内的流动“死区”,并且由于旋流产生的涡与管束传热界面边界层相互作用,使湍流度大幅度增强,有利于提高壳侧传热膜系数

〔1〕.PStehlik等〔2〕对螺旋折流板换热器进行研究得出,相同条件下与传统弓形折流板换热器相比换热器的传热系数提高1.8倍,流动阻力降低25%陈世醒等〔3〕研究发现,对于水这样的低黏度流体,相同流量单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的2.4倍;对于高黏度油品,相同流量下单位压降的壳程对流传热系数,螺旋折流板换热器约为普通弓形折流板换热器的1.5倍,研究表明螺旋折流板换热器不仅适用于低黏度流体,也可用于高黏度流体.总之,螺旋折流板换热器具有传热效果好.流动压降小.不易结垢.流动诱导振动小等优点〔4〕.

本实验所采用的螺旋折流板换热器是由若干块四分之一壳体横截面的扇形折流板呈螺旋状自进口向出口处推进,这样介质在整个壳体中连续,平稳,旋转着流动,避免了大角度折返带来的严重压力损失,减少了能耗.同时由于折流板螺旋分布使壳体介质产生旋涡,从圆心到半径方向存在较大速度梯度,这个梯度场有效的在管子表面产生湍流,使边界层减薄,提高膜传热系数.本文以螺旋角为12°为例,研究螺旋折流板换热器与弓型折流板换热器的传热与流阻性能,为螺旋折流板换热器的工业应用及与其他新型强化传热管的结合使用提供参考.

换热器是许多工业生产中必不可少的设备，广泛用于石化、煤化、轻工、航空航天等工程领域。在形式各异的换热器中，管式换热器仍占据主要地位。管式换热器的传热强化早已成为工程领域的研究热点之一。

减少换热器对流传热热阻的简单方法是利用强化元件增加扰流，强化元件主要包括在换热器中使用的螺纹管、横纹管、缩放管、螺旋翅片管以及在换热管中加扰流件来强化管内换热等。在换热管内加入扰流件进行强化传热在工业上已经使用了很多年，它可以使总传热系数明显的提高，大大节省换热器的传热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。国内外许多学者致力于管式换热器内插件强化传热的研究[1-8]，本文以一种新型传热强化元件——多面折流片为内插件，初步研究了其对管式换热器的传热性能的强化作用和影响。

1.实验及方法

1.1多面折流片的结构

我课题组设计、制作了一种新型传热强化元件——多面折流片，可插入管式换热器管内作为传热强化元件，实验初步研究了该类传热强化元件对管式换热器的传热性能、阻力性能以及综合性能的影响。

多面折流片制作前为一定尺寸的矩形金属片，按图1所示方式同向叠扭即成本实验所用的多面折流片。

图1中，△ABC≌△CAD≌△DCE≌…，并且均为等腰三角形，其中点A、C、D…等均为上述等腰三角形的顶点。

内强化元件插入管程后如图2所示，折流片单元三角形的顶点分别内接于换热器的管程内壁的圆面上。多面折流片各单元三角形的顶点沿管轴方向的投影分别重合，即轴向投影所得△A′B′C′为一正三角形，三角形与内壁之间的弓形空隙，可供流体自由通过。

将上述折流片置于管式换热器的圆形直管内，流体沿轴线方向进入管内后，在多面折流片折面的强制作用下，管内流体的流场将发生明显改变，部分流体沿折面以某种方式绕流(见图3)，从而推动和加强管壁处流体的湍动，降低其对流给热的热阻，达到强化传热的目的。

可以通过改变多面折流片单元三角形顶角的角度，即改变图1中△ABC的顶角∠BAC的角度，达到改变多面折流片扭曲程度等尺寸参数的目的，从而比较不同尺寸结构的折流片对管式换热器的传热强化效果。

本实验初步测定了∠BAC分别等于60o和145o的两种不同形状的多面折流片的内强化传热性能，为方便，下文中分别记这两种多面折流片为：折流片60、折流片145，并与空白实验，即无折流片的情况进行了比较。

1.2实验方法

实验所用的换热器为套管式换热器，内管为紫铜管，外管为不锈钢管。冷流体空气走管程，热流体水走壳程，逆流换热。套管换热器各结构参数见表1。实验中控制空气、水的流量，温度等参数保持稳定，测取相关数据，并对实验数据进行处理、分析和对比。

2.结果与讨论

按照1.2节中所述的方法，进行实验，并对所得原始实验数据进行处理，得到套管换热器内管管内流动雷诺数Re、对流传热努塞尔数Nu、流动阻力损失hf和综合性能评价因子η等数据，汇总列于表2。

2.1对流传热努塞尔数与雷诺数的关系据表2中的数据，将套管换热器内管对流传热的努塞尔数Nu与其流动雷诺数Re作图，见图4。

由图4可见，两种尺寸的折流片均可使套管换热器内管对流传热的努塞尔数Nu明显增加，由图4和表1中数据估算可知，折流片60、折流片145可分别使管内对流传热系数增加98%～100%、55%～95%。这是由于流体流经多面折流片时，促使流体做类似螺旋式绕流，有效控制边界层的发展，减薄层流内层厚度，减小管内传热阻力，起到强化传热的目的。而且折流片单元三角形的顶角越小，则折流片的扭曲度越大，对管内流体的扰动越剧烈，径向流动加剧，从而使管壁处层流内层的厚度进一步减薄，故有Nu折流片60>Nu折流片145>Nu无折流片，并且管内流体流动的雷诺数Re越大(空气流量越大)，多面折流传热强化效果越显著。

2.2流体阻力损失与雷诺数的关系

据表2数据，将换热器内管流动阻力损失hf与其流动雷诺数Re作图。

由图5可以看出，折流片的加入使得换热器内管的阻力损失有不同程度的增加，且有hf折流片60>hf折流片145>hf无折流片。雷诺数Re越大，阻力损失hf越大，但是，加装折流片60的后的换热器的阻力损失随雷诺数增加的速率远大于折流片145和无折流片的空白实验。实验中流体作类似螺旋绕流运动时的阻力可以分为黏性作用引起的摩擦阻力和流向改变引起的形体阻力。多面折流片单元三角形顶角越小，折流片扭曲度就越大，折流片表面和流体主体流向之间的夹角就越大，使得形体阻力也快速增加。

2.3综合性能评价因子与雷诺数的关系

综合图4和图5可以看到，多面折流片单元三角形顶角越小，则所构造的折流片的扭曲度越大，传热系数增加越多，同时，流体流动的阻力损失也越大，这样还无法判断那一种折流片的总体性能更好。本文采用综合性能评价因子η来描述多面折流片强化传热的综合性能[9]，其定义如式(1)。

式中，Nu0、f0为无强化时换热器内管的传热努塞尔数和流体流动阻力系数;Nu、f为强化后换热器内管的传热努塞尔数和流体流动阻力系数。综合性能评价因子以无强化管为参照基准，η>1表示强化元件的综合性能较无强化时得到了加强，一般来说，η越大说明其综合性能越好。据表2数据，将本文所用的两种多面折流片强化传热的综合性能评价因子η与管内流动雷诺数Re作图，见图6。

图6可以看出，折流片145的综合性能评价因子曲线在η=1的上方，表明这种多面折流片使得管程的综合传热性能得到改善。而折流片60的综合性能评价因子η均小于1，表明这种多面折流片虽然可强化传热，但阻力增加过多，导致其综合性能较差。

折流片60和折流片145的综合性能评价因子在雷诺数Re约为20 000附近处分别达到最大值，说明该类传热强化元件存在与之匹配的、适宜的流动雷诺数值，也说明多面折流片特殊的多平面结构基本符合场协同原理[10-11]优化换热器传热性能的要求。

本文所用两种多面折流片(折流片60和折流片145)可分别使套管换热器管内对流传热系数提高55%～95%和98%～100%。在实验范围内，折流片145的综合性能评价因子均大于1，在Re=20 000～21 000时，综合性能评价因子η达到最大值约为1.156，换热器的综合性能得到明显改善。

多面折流片简单而特殊的结构正好可以发挥其较好的场协同效应，从而使得换热器的综合性能明显改善。

多面折流片的结构参数对管式换热器的综合性能起决定性作用。折流片强化换热主要是利用流体旋绕流过折流片后，下游形成局部的低阻高效区域，可有效冲刷壁面，强化换热，同时这一区域处于折流片与管壁之间的空隙处，没有折流片的摩擦阻力和形体阻力损失，因此有效提高了折流片的综合传热性能。

多面折流片为三角形单元经叠扭形成的多平面结构，设计、制作简单，成本低，因此具有一定的工程实用价值，有望应用于相关领域。