传统换热器中最普遍应用的是弓形折流板，由于存在阻流与压降大、有流动滞死区、易结垢、传热的平均温差小、振动条件下易失效等缺陷，近年来逐渐被螺旋折流板所取代。理想的螺旋折流板应具有连续的螺旋曲面。由于加工困难，目前所采用的折流板，一般由若干个1/4的扇形平面板替代曲面相间连接，形成近似的螺旋面。在折流时，流体处于近似螺旋流动状态。相比于弓形折流板，在相同工况下，这样的折流板(被称为非连续型螺旋折流板)可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%～30%，在相同热负荷下，可大大减小换热器尺寸。

虽然非连续螺旋折流板的加工技术比较成熟，在石化行业也已得到推广应用，但仍存在诸多不足之处。例如，扇形板连接处成非光滑的锐角过渡，对轴向运动的流体存在反压，流体通过时的突然转向会造成能量损失，在螺旋角较大时能耗更严重;相邻两片扇形板空间对接时，必须附加角接板才能填补缝隙，既费工又废料，又增大了流体的阻力。相比之下，具有理想螺旋曲面的连续型螺旋折流板有着更好的传热与流动特性，但在实际应用时必须首先解决其加工难题。

螺旋折流板换热器基本原理及折流板形式螺旋折流板换热器的提出基于这样一种思想:通过改变壳侧折流板的布置 ,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动.因此 ,理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面.但是 ,螺旋曲面加工困难 ,而且换热管与折流板的配合也较难实现.考虑到加工上的方便 ,采用一系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面相间连接 ,在壳侧形成近似螺旋面 ,使壳侧流体产生近似连续螺旋状流动.一般来说 ,出于加工方面的考虑 ,一个螺距取 2～4 块折流板 ,相邻折流板之间有连续搭接和交错搭接两方式 ,按流道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构.

管壳式换热器的出现已有上百年的历史,是应用最广泛的单元设备之一,占我国全部换热器产量的50%以上[1]。普通的管壳式换热器采用 弓形折流板[2],折流板与换热管垂直布置,存在流动死区,换热效率难以提高;流体横向掠过换热 管,管束易发生振动,造成换热管与管板连接处松 动或换热管断裂,导致换热器失效,大直径换热器中的振动问题更为严重。20世纪60年代有学者提出了螺旋折流板的结构型式,但由于制造难度较大,一直未能实现工业化生产。1986年捷克科 学家获得了螺旋折流板的专利, 1994年ABB公司实现了工业化制造[3],在欧美等西方国家得到了应用。20世纪90年代末,国内有单位取得了专利技术并在生产中获得应用[4]。 1 螺旋折流板换热器的结构与分析 1. 1 螺旋折流板的结构 螺旋折流板换热器的结构型式来源于输送物 料的搅龙。最初的螺旋折流板为连续螺旋结构, 由于制造上难以实现,目前的螺旋折流板换热器 都是采用断续的近似螺旋结构,即采用若干块四 分之一壳程横截面的扇形板组装成螺旋状,每片 折流板与穿过其上的换热管斜交。在螺旋折流板 换热器内,介质自壳层进口向出口呈螺旋状推进, 由此产生的离心力提高了流体的湍流程度,也避 免了大角度折返带来的压力损失。目前常用的螺 旋折流板带有螺旋角α和后倾角β,其结构如图1 所示。

流体在壳程的流动不仅与螺旋角有关,而且 与螺旋板的具体尺寸有关。可以改变螺旋角角度 调整壳程的流通面积,可以采用一定的搭接量来 减小换热管无支撑跨距以提高刚度,可以采用双 螺旋或双壳程结构来调整壳程的流体流动。明确 螺旋折流板尺寸对传热及阻力性能的影响,是研 究螺旋折流板换热器的一个重要课题。 1. 2 螺旋折流板换热器中流场间的相互作用

1. 2. 1 螺旋角对流场的影响[5]

一般情况下,螺旋折流板换热器壳程流体的 切向速度ut大于轴向速度uz,且α越小,ut越大。 脉动速度对α很敏感,α减小则脉动速度增大。α 减小,阻力降增加,但与弓形折流板换热器相比, 阻力降要小很多。 1. 2. 2 流量对流场的影响[5]

在α相同时,流量增大时流速沿径向分布趋 于均匀,脉动速度增大,有利于传热。这是因为流 量增大时,层流边界层变为湍流边界层,分离点提 前,管束后产生大量漩涡,漩涡运动可增强液体径 向混合,使速度沿径向分布趋于均匀。

1. 3 螺旋流动对换热的影响 (1)在螺旋流动中,切向速度产生作用在流 体上的离心力,流体外侧压力升高、内侧压力下 降,流体在压差作用下从外侧向内侧流动,同时中 心的流体出现回流,造成二次流[5]。螺旋流和二 次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在 径向均匀化,从而强化传热。

(2)螺旋流动的流体斜向冲刷管束,在倾斜 和旋转的双重作用下,使速度边界层变得很薄,传 热系数得到大幅提高。

1. 4 螺旋折流板换热器的特点

与传统弓形折流板换热器相比,螺旋折流板 换热器具有如下优点。

(1)壳程流体呈螺旋状流动,流体湍流程度 加剧,层流底层厚度减薄,利于提高传热系数。据 国外文献报道,与弓形板相比,螺旋折流板单位压 降下的壳程膜传热系数可提高1. 8~2. 0倍,因此 在相同热负荷下可减小换热器的尺寸。

(2)壳程介质的螺旋流动使其阻力降明显降 低,与单弓板相比,相同流量条件下可减少阻力降 约45%。

(3)壳程无滞流区和死区,无污垢沉积,可延 长设备检修周期。

(4)更适用于粘稠介质和结垢严重的介质。

(5)有效防止了流体诱导振动的发生,适用 于流量波动较大和汽液两相的工况。

螺旋折流板换热器也有一定的缺点,其螺旋 板管孔和定距管的加工较困难,需要专用胎具,管 束组装难度较大,造价高于弓形板换热器。 2 螺旋折流板换热器的研究

螺旋折流板换热器的研究主要集中在壳程侧 流体力学研究,通过对壳程侧传热和阻力降的研 究,选取合适的螺旋角来满足工程上的需要。国 外的研究机构主要有美国的传热研究协会 (HTRI)和英国的传热及流体流动研究中心。

国内西安交通大学是研究较早的单位,并且 获得了多项专利。邓斌等采用多孔介质和分布阻 力模型阶梯逼近技术对换热器壳程侧的层流流动 进行了数字模拟[6],表明壳侧流体呈螺旋形流动 并与相应的换热器冷态试验进行了对比研究。

王 秋旺等通过试验对换热器进行了换热及阻力性能 研究[7],发现在4管程换热器中使用假管会使换 热效率降低、阻力增加;在相同雷诺数时,无中心 管的传热效率比有中心管的高30%;在相同的壳 侧流量下,壳程侧传热系数随螺旋角增大而减小。 王良等对螺旋角为10°和15°的换热器进行了换 热与阻力性能试验[8]。

华南理工大学传热强化与过程节能教育部重 点实验室在强化传热和新型壳程强化传热技术方 面做了大量研究工作,率先在螺旋折流板换热器 中采用低翅片管[9]。南京工业大学张少维等对 折流板间距对换热器性能的影响进行了数值研 究[10]。

抚顺石油学院的研究人员采用有机玻璃 制作了螺旋折流板换热器的模型,用激光测速仪 详细测量了流场的特性,研究了旋流角对速度分 布和脉动速度的影响及流量的耦合关系,发现不 同的螺旋角和布置方式都会影响流体的速度分 布,也会影响换热效果。彭杰等对螺旋折流板搭 接量进行了研究,结果表明:搭接布置有利于降低 压降,但不利于传热。

3 结构设计相关尺寸的计算

目前常用的螺旋折流板为带有螺旋角α和 后倾角β的折流板,如图2所示。通常情况下,由 4块螺旋折流板交错搭接形成一个螺距。α为折 流板所在平面与管板所在平面的夹角,β为带有 螺旋角α的折流板向流体流动方向(轴向)后倾 的角度。将螺旋折流板的边长跨过设备中线重叠 一部分,这样可有效减少折流板间的漏流,一般重 叠2排左右的管子