适合于正三角形排列布管的螺旋折流板换热器

　　螺旋折流板换热器中流体以螺旋运动方式冲刷管束,克服了弓形折流板换热器中蛇形流动存在的局部压力损失、流动死角以及弓形缺口处部分管束支撑跨距过大易产生共振而造成振动破坏等缺点。针对绝大多数管壳式换热器都是正三角形排列布管的特点,在1/4椭圆-扇形螺旋折流板基础上改进设计出三分椭圆螺旋折流板。三分椭圆螺旋折流板可按特定布管方式的自然间隔来分块,也可以采用1/3分区布管。此方案可以应用于几乎所有目前采用弓形折流板的正三角形排列布管的换热器场合,且管孔的定位划线和制造加工工艺容易实现。

　　关键词：螺旋折流板换热器;三分椭圆折流板;正三角形排列;倾斜角

　　管壳式换热器具有结构简单、承受压力高的特点,目前依然是热交换设备的主流型式。常用的弓形折流板虽然加工制造简单,但具有存在流动死区、流动阻力较大、传热系数较低以及在缺口处管束支撑跨距较大易诱导振动破坏等缺点,因而催生了许多新的管束支撑方案,螺旋折流板就是其中之一。理论上的螺旋折流板是曲面,其设计和制造工艺比较复杂。一种改进方案是1/4椭圆-扇形螺旋折流板[1,2],每层折流板由4片1/4椭圆-扇形折流板组成,头尾相接可组成壳侧螺旋通道。

　　螺旋折流板具有消除壳程流动死区、降低壳程流动压力损失并有效抑制污垢形成的作用,同时还可抑制管束的振动破坏。StehlikP等进行的研究得出,与传统弓形折流板换热器相比,相同条件下螺旋折流板换热器的传热系数可提高1.8倍,流动阻力降低25%[3,4]。陈世醒等研究发现,对于高粘度油品,螺旋折流板换热器单位压降的壳程对流传热系数约为普通弓形折流板换热器的1.5倍;对于水,螺旋折流板换热器单位压降的壳程对流传热系数约为普通弓形折流板换热器的2.4倍[5,6]。宋小平介绍了十余台螺旋折流板换热器在炼油厂的应用情况,使用结果表明,其各种性能指标均优于原弓型折流板换热器,采用螺旋折流板换热器后的换热效率都大幅度提高,并减少了换热面积和金属消耗,从而降低了装置的设备投资[7]。

　　目前非连续螺旋折流板采用两种裁剪方法,一种是以椭圆长、短轴为边的1/4椭圆折流板方案;另一种是以椭圆短轴为对称线截取的1/4扇形螺旋折流板方案[8]。其中采用或研究1/4扇形螺旋折流板方案的占绝大多数。

　　1/4螺旋折流板方案较适合于正方形排列或辐射状排列布管的场合,但管壳式换热器中还有使用正三角形排列布置的管束。采用1/4椭圆-扇形螺旋折流板方案应对正三角形排列布管时存在2个问题,首先是四等分折流板的边与正三角形排列布置的管束的自然间隔不符,每块折流板至少有一条边所在的部分管子要让路。其次,在倾斜的1/4椭圆-扇形折流板上进行正三角形排列布管的管孔划线定位很困难。因此已有的研究或实用方案中有关螺旋折流板的管束几乎都采用正方形布管方案或者辐射状排列的布管方案。对于正方形布管方案,1/4扇形折流板方案中与边不平行的作为基准的对称线的存在也使得倾斜管孔加工很困难,特别是大倾斜角的折流板方案。有人采用角度夹具或专用胎具工装配合铣床、坐标镗床或数控机床等措施进行了折流板管孔钻孔实践,但相当困难,严重影响了此类折流板换热器的普及应用。在捷克化工设备研究所的LutchaJ等人发明了1/4扇形螺旋折流板方案后的近20a里[8],国内外同行专家只是在该发明的框架下开展相关研究,却从来没有人就1/4椭圆-扇形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设计的关联。文献[9]已经讲到一个螺距可取2~4块折流板,但迄今却没有发现有关每个螺距采用3块折流板解决正三角形排列布管方案的研究。

　　笔者提出了适合正三角形排列布管的三分椭圆螺旋折流板方案,并且申请了国家发明专利[10]。该项创新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。由于提出的折流板分隔方案无需改变原有布管方案,因此在采用螺旋折流板换热器取代现有弓形折流板方案换热器时,可以极小的投入获得较大的收益,必将对国内外换热器行业产生重大影响。

　　1　三分椭圆螺旋折流板几何关系

　　三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器本体由圆筒形壳体、管束、2块圆形管板、若干块折流板和壳侧流体进、出口接管组成,其结构立体示意图见图1,折流板的排列布置图见图2。

　　三分椭圆螺旋折流板的形状约是倾斜的折流板平面切折流板外径投影圆所在圆柱面所形成椭圆的1/3,每块折流板由1条椭圆曲边和2条直边构成,其中1条直边为基准边,另1条称为斜边,每块折流板的基准边和斜边的位置都在管束的自然间隔中。折流板平面与管板平面的夹角为倾斜角β,使每块折流板的基准边与椭圆之半长轴重合或平行,且与该折流板包含的正三角形排列布管的一条管孔中心连线平行。相邻2块折流板的后1块折流板的前缘与前1块折流板的后缘在外圈首尾相接,周向宜有少量重叠,重叠余量以钻孔方便且不干涉相邻管束为原则。当折流板2条直边的顶点在换热器的轴线上,且各折流板在外圈连续相接时成为1/3椭圆螺旋折流板,其螺距Hs与折流板的投影直径D和倾斜角β之间的关系可表示为:

　　Hs=2·25Dtanβ(1)

　　1/3椭圆折流板的相对螺距,即螺距/直径(Hs/D)随倾斜角β的变化关系见图3。作为对比,图3中还列出了1/4扇形折流板、1/3扇形折流板和连续螺旋折流板螺距/直径(Hs/D)随倾斜角β的变化关系。与1/4扇形折流板类似,1/3扇形折流板以椭圆的半短轴为基准线。在同样的倾斜角下,1/3椭圆折流板的螺距分别只有连续螺旋折流板的0.7162倍、1/4扇形折流板的0.7955倍和1/3扇形折流板的0.866倍。

　　1/3椭圆螺旋折流板的基准边与斜边的夹角θ随倾斜角β的不同将稍大于120°。由图1和图2可见,非连续螺旋折流板换热器相邻2块折流板之间有V形缺口,下游板的前缘边与圆截面的夹角为倾斜角β,而上游板的后缘边与圆截面的夹角为γ,V形缺口角φ=β+γ。1/3椭圆螺旋折流板各角度与倾斜角β之间的关系见图4。作为对照,图4中还列出了1/3扇形折流板和1/4扇形折流板各角度与倾斜角β之间的关系。

　　2　分隔方案

　　对于均匀布管的情况,有2种三等分的对称方案,一种是管板中心无管位,使之刚好位于3个管孔的中心(图)。另一种是常见的沿管板中心布管方案,从三等分对称角度考虑,需要将折流板中心管排除在折流板包含的管孔之外(图5b)。1/3分区布管方案见图5c。该方案的优点是由于区域内部布管对称,因此折流板设计比较方便,并且可以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三管程流动时可比目前常用的偶数管程更接近逆流传热。

　　从制造工艺来说,由于每块三分椭圆螺旋折流板的基准边与椭圆的半长轴重合或平行,都与一条管孔中心连线平行,且沿基准边之垂直方向的尺寸不变,所以在倾斜的折流板上的划线定位和钻孔将不再是难题。对于三分扇形螺旋折流板,宜采取2条直边对称的分区布管方案,这时折流板以椭圆的半短轴为基准线倾斜,该基准线与贯穿1条管孔中心的连线重合,沿基准线方向的长度尺寸不变,与基准线垂直方向的尺寸为投影距离除以cosβ,因此划线定位也没有太大困难。但由于定位基准与直边没有直接关联,加工孔时不能像三分椭圆螺旋折流板那样将折流板的边作为定位基准水平或垂直放置,因此其制造工艺不如三分椭圆螺旋折流板制造工艺方便。同样,1/4扇形折流板的制造工艺也不如1/4椭圆折流板制造工艺方便。

　　3　注意事项

　　3.1　倾斜角不宜过大

　　倾斜角不宜取40°左右的较大值,而宜取10°~20°的较小值。这样不仅方便钻孔,而且可提高传热效率。有许多文章讨论了倾斜角大小的影响,都认为倾斜角大小对传热性能和压力损失影响很大,但这种影响究竟是单调的增或减还是存在值,可以说没有定论。主流的观点认为倾斜角应取40°左右的大值。[1]就给出了采用40°角的方案比采用20°角的方案效率高出很多的结论,其理由是角度大就更接近于柱塞流。新近的文献[11]给出了马鞍型的波动变化结果,即倾斜角在15°~20°是传热高效区,在25°~30°是低谷,在35°~40°上升到高点,45°又下降到低点。王晨等用数值模拟方法计算给出了25°~50°共6种角度的性能[8],其单位压降传热系数的结果相差不大,其中35°的方案略优。而从其它一些实验研究或者实际应用性的成果可以看出,采用大角度方案带来的结果是,虽然压降很小,但在同样的流量下传热系数较小,甚至小于弓形折流板方案的数值。从常理分析,倾斜角大则螺距大,流体还没有绕几圈就到头了,根本谈不上强化。如果是在同样的壳体直径下进行不同倾斜角的折流板试验,通流截面会随倾斜角而改变,阻力压降变化会很大。用单位压降的传热系数作为指标,则是对在明显不同的流量下获得的两组数据进行比较,并不公平。换热器的功能是传热,传热系数指标都达不到就谈不上其它性能。反过来,若采用较小倾斜角方案,则传热性能满足要求,压降在允许范围,且制造又很方便,何乐而不为。更合理的指标应该是从热经济学角度提出,从换热器的投资和泵功的代价等方面来综合优化。

　　3.2　重视换热器的长径比

　　换热器的长径比也是必须重视的指标之一,文献[1]中的换热器长径比大约达到12,即使采用倾斜角40°的方案,流体也可以绕5圈。若长径比很小而且取大角度,必然是流体没有转几圈就无法流动了。这时壳侧进、出口管处的局部阻力损失所占比例就会较大,不易体现螺旋折流板对整个换热器性能的贡献。

　　3.3　相邻折流板周向少量重叠

　　相邻2块折流板要在外圈首尾相接,特别推荐将折流板直边稍稍放宽,使相邻2块板在首尾相接时周向有少量重叠。这一方面是由于通常正三角形排列布置管孔的方案中相邻两列管子之间的间距较小,这样可以留出钻孔边。另一方面,少量重叠也有利于减小在2块相邻的折流板处的漏流。此时折流板的层距将比按照式(1)确定的螺距Hs增大约3个板厚。

　　相邻2块折流板连接处有三角区,称为V型缺口,一般认为这是无奈的负面结果,其实此缺口不一定是坏事。根据流动分析,壳侧流体沿螺旋折流板呈总体螺旋流动时,在离心力作用下流体将向外围流动,中心部分流体将变少,尽管随后产生的径向压差以及外圈路程远、阻力大的状况使流体产生向心的二次流动可部分平衡这样的离心流动。相邻折流板首尾在外圈连接的方案中,壳侧流体通过相邻两组折流板交接处的V形缺口时的流动方向是使部分流体又返回上一层(图6),客观上可以增大中心部分的流速,起到增强中心区域传热的作用。

　　3.4　相邻折流板轴向不宜搭接

　　在一些文献中,经常看到的折流板方案是一方面采用大倾斜角,另一方面又嫌螺距太大而采用相邻折流板轴向搭接的方案,笔者认为不可取。因为相邻折流板轴向搭接后,将使V形缺口变成X形缺口。从图7所示折流板轴向搭接时上、下游截面之间X型缺口的漏流情况可以看出,部分流体将从外侧的缺口漏流进入下一层,这对强化传热是不利的。分析可知,若存在一条旁通捷径,必然对绕行的主流造成不利影响。

　　对于大型换热器壳侧体积流速较大的场合,若希望既保持较大的通流面积,又需要减小层距、缩小管束支撑间距时,可采用双头螺旋折流板。

　　3.5　新旧设备均可采用

　　工业过程中大量使用的管壳式换热器都是正三角形排列布管的,每年都有大量换热器在一定使用寿命期后需更换管束。除了新设备可采用笔者提出的方案外,本方案还非常适合于检修期间更换管束,不需要更换壳体,更无需改变配管和安装位置。

　　3.6　应用范围有望拓展

　　除了可用于强化单相强迫对流过程外,三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器的应用范围还有望拓展到冷凝过程和沸腾过程。例如电厂的给水加热器壳侧为凝结过程,采用螺旋折流板有利于使液滴受离心力作用脱离主流而减薄液膜厚度。又如核电站蒸汽发生器的壳侧为沸腾过程,采用螺旋折流板肯定比目前采用的花瓣孔支撑板更有利于促进气泡的升腾和脱离,因而提高膜传热系数。倾斜的折流板布置和流体的螺旋冲刷可以避免污垢物在板表面的沉积,因而无需对这些支撑板作定期清洗冲刷,只需定期清洗冲刷下方管板表面即可,可以节省大量停机时间。

　　4　结语

　　三分椭圆螺旋折流板方案是适合正三角形排列布管的换热器方案。三分椭圆螺旋折流板换热器倾斜角的选取应以满足传热需要为主要目标,不必过分追求大角度方案。不要采用会使部分流体漏流至下一层的相邻折流板搭接的方案,推荐采用相邻折流板首尾周向有少量重叠连续相接的方案,这样可使部分流体通过V形缺口返回上一层,从而增强换热器中心部分的传热。

　　三分螺旋折流板的发明将促进换热器行业在节能减排中作出更大贡献,应用于实际将获得显著的经济效益和社会效益。