螺旋折流板換熱器在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用

                               郝振良，許國文，羅冀

                       （上海森松壓力容器有限公司，上海201323）

    摘要：通過實驗對比分析弓形折流板和螺旋折流板換熱器的殼程傳熱與流動特性，得出單位壓降條件下螺旋折流板換熱器殼程對流傳熱系數(shù)均高于弓形折流板換熱器；當(dāng)殼程流量相同時螺旋折流板換熱器殼程壓降遠(yuǎn)低于弓形折流板換熱器，隨著流量的增加二者相差越大。結(jié)果表明螺旋折流板具有單位壓降條件傳熱系數(shù)高、流動阻力小，能有效防止管束振動和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在石油化工領(lǐng)域是冷換設(shè)備較為理想的選擇。關(guān)鍵詞：換熱器；螺旋折流板；傳熱系數(shù)；管束；壓力降管殼式換熱器因具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、清洗方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工等領(lǐng)域。由于殼程流體流動方向改變頻繁，且存在漏流等現(xiàn)象，因此殼程流動與換熱是這種換熱器的瓶頸所在[1]。普通管殼式換熱器大多采用弓形折流板結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)是殼程流動阻力大、易結(jié)垢，而且易引發(fā)換熱管束振動，極大地限制了其應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，捷克科學(xué)家Lutcha、Stehlik和Newcansky等[2-4]從折流板布置方式的角度出發(fā)提出了螺旋折流板的思想，較好地解決了弓形折流板換熱器存在的上述缺點(diǎn)，其研究成果一經(jīng)推出即被美國ABB公司（現(xiàn)該技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給CB&I公司）買斷，據(jù)ABB LummusHeat Transfer公司公布的數(shù)據(jù)，自1994～2007年3月該公司共完成了349個項目共計1350臺（套）螺旋折流板換熱器的設(shè)計和制造。但是，在國內(nèi)螺旋折流板換熱器的研究應(yīng)用仍處于起步階段，大多進(jìn)行的都是實驗方面的研究工作，沒有形成一套系統(tǒng)的工藝設(shè)計和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論。為此，上海森松集團(tuán)與西安交通大學(xué)熱流研究中心共同進(jìn)行了螺旋折流板換熱器項目開發(fā)，對森松公司制造的不同傾角的螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器進(jìn)行流動與傳熱實驗，在此基礎(chǔ)上，綜合現(xiàn)有資料并采用弓形折流板換熱器的設(shè)計思想，進(jìn)一步完善傳熱工藝計算的設(shè)計方法，編制了相應(yīng)的工藝設(shè)計計算軟件，這一研究成果在國內(nèi)屬領(lǐng)先水平。

    1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能

    1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    螺旋折流板換熱器是將一系列扇形折流平板連續(xù)或交錯搭接布置成近似螺旋面（如圖1所示），使換熱器殼程流體呈連續(xù)或近似螺旋狀流動，以實現(xiàn)有效降低殼程流動阻力和強(qiáng)化傳熱的目的。殼程流體的螺旋流動，消除了弓形折流板換熱器“Z”形折返流產(chǎn)生的流動滯止區(qū)和在折流板邊緣產(chǎn)生的流動分離（如圖2所示），降低了由于漩渦分離產(chǎn)生的壓力降過大的影響。

                   

    1.2流動特性

    弓形折流板垂直于換熱管束，流體在其間流動橫向沖刷管束，且在折流板邊緣處產(chǎn)生漩渦分離，導(dǎo)致殼程壓力損失大。圖3給出了不同傾角的螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器殼程壓降隨流量的變化關(guān)系，從圖中可以看出當(dāng)殼程介質(zhì)流量為3～30 m3/h時，相同殼徑和流量條件下，螺旋折流板換熱器殼側(cè)壓降隨螺旋角β的增大而減小，且均小于弓形折流板換熱器。隨著流量的增大，螺旋折流板換熱器殼側(cè)壓降與弓形折流板換熱器相比降低得更加明顯。

                  

    1.3傳熱特性

    傳熱系數(shù)是衡量換熱器換熱性能的重要指標(biāo)，它的大小表征換熱器傳熱效率的高低。換熱器殼程對流傳熱系數(shù)隨著流速的增加而增大，弓形折流板換熱器由于流體垂直沖刷換熱管束不存在沿管束軸向的速度分量，在相同流速條件下弓形折流板換熱器殼側(cè)對流傳熱系數(shù)高于螺旋折流板換熱器（如圖4所示），但這是在消耗更大的動力以克服較高流動阻力的條件下實現(xiàn)的。

                 

    對于同殼徑、同螺旋周期數(shù)的螺旋折流板換熱器，30°螺旋角時殼側(cè)對流傳熱系數(shù)大于20°，40°螺旋角時殼側(cè)對流傳熱系數(shù)大于50°，即殼側(cè)對流傳熱系數(shù)隨螺旋角的增大，先增加后減小，這是因為螺旋角的存在破壞了流體沖刷換熱管的對稱性，流體不對稱地從換熱管兩邊分離，減薄了邊界層的厚度并增強(qiáng)對邊界層的擾動，從而強(qiáng)化了傳熱。根據(jù)Lutcha和Nemcansky的實驗結(jié)果，當(dāng)螺旋角β在25°～40°時，殼側(cè)傳熱系數(shù)隨著β的增加而增大，當(dāng)β=40°時，邊界層流動達(dá)到充分發(fā)展，產(chǎn)生最佳的換熱效果。隨著β的進(jìn)一步增大，流動的軸向分量會使邊界層急劇增厚，導(dǎo)致傳熱效果會迅速惡化[1-2]。

    衡量一臺換熱器的優(yōu)劣不能單從傳熱系數(shù)的高低來考慮，還應(yīng)該考查換熱器在滿足換熱要求條件下的動力消耗情況，故引入單位壓降條件的傳熱系數(shù)作為評價換熱器的綜合性能的依據(jù)。圖5是殼程側(cè)單位壓降條件的傳熱系數(shù)與流量的變化關(guān)系。

                  

    在相同流量下螺旋折流板換熱器單位壓降殼程對流換熱系數(shù)均高于弓形折流板換熱器。20°和30°螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器殼徑相同，周期數(shù)相同，30°螺旋折流板換熱器綜合性能大大超過弓形折流板換熱器和20°螺旋折流板換熱器；相同殼徑的40°螺旋折流板換熱器由于周期數(shù)多，產(chǎn)生更大的壓降，其綜合性能稍低于30°螺旋折流板換熱器。對于小殼徑的40°及50°螺旋折流板換熱器，40°螺旋折流板換熱器的性能稍好于50°螺旋折流板換熱器。這進(jìn)一步說明了當(dāng)螺旋角β達(dá)到約40°時，換熱器的綜合性能最好。

    1.4抗振性能

    螺旋折流板的連續(xù)支撐減小了換熱管的無支撐跨距，提高了換熱管的固有頻率，使其能夠避開流體流動產(chǎn)生的激振頻率，而且殼程流體流動方向與換熱管軸向有一定的傾角，減小了流體對管束的直接沖擊，從而避免了換熱管振動引起的破壞作用，延長了換熱器的使用壽命。

    此外，螺旋折流板換熱器殼程流體的螺旋流動消除了弓形折流板換熱器“Z”形折返流產(chǎn)生的流動死區(qū)、增加有效換熱面積[5]，同時螺旋流動能有效對換熱管進(jìn)行沖刷，減少污垢的沉積，延長換熱器的清洗周期，使換熱器能較長時間處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

    2 結(jié)語

    螺旋折流板換熱器與弓形折流板換熱器相比，單位壓降的殼側(cè)傳熱系數(shù)更高，在保證相同傳熱性能條件下，螺旋折流板換熱器殼程阻力小于弓形折流板換熱器，具有更高的綜合傳熱性能，適合設(shè)備節(jié)能發(fā)展的需要。除管外蒸發(fā)的場合外，所有能應(yīng)用弓形折流板管殼式換熱器的場合均適合螺旋折流板換熱器，而且它特別適合于高黏度流體或流體中含有雜質(zhì)的換熱情況。通過對比分析螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器殼程流動與傳熱可以得出以下結(jié)論。

    （1）在相同殼體直徑和流量條件下，螺旋折流板換熱器殼程壓降隨著螺旋角β的增大而減小，但是無論哪種傾角的螺旋折流板殼程壓降均小于弓形折流板[6]。

    （2）相同Re數(shù)條件下，弓形折流板換熱器殼程對流傳熱系數(shù)高于螺旋折流板換熱器。

    （3）單位壓降條件下，螺旋折流板換熱器殼程側(cè)對流傳熱系數(shù)均高于弓形折流板換熱器，在螺旋角β約為40°時，對流傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，換熱器的綜合傳熱性能最高。螺旋折流板換熱器僅是從殼程側(cè)增強(qiáng)了換熱能力，還可以將其與強(qiáng)化管程傳熱技術(shù)結(jié)合起來，諸如采用螺紋槽換熱管、內(nèi)部肋片換熱管和增加管內(nèi)插入物等手段進(jìn)一步提高螺旋折流板換熱器的傳熱性能。

參考文獻(xiàn)

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[2]Lutcha J，Nemcansky J.Performance improvement of tubular 

heatexchangers by helical baffles[J].Trans.IChemE，1990，68(A)：263-270.

[3]Stehlik P，Nemcansky J，Kral D.Comparison of correction factors 

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Heat Transfer Engineering，1994，15(1)：55-65.

[4]Kral D，Stelik P，Van Der Ploeg H J，et al.Helical baffles inshell-and-tube 

heat exchangers，Part One：Experimental verification[J].Heat Transfer Engineering，1996，17(1)：93-101.

[5]陳世醒，張克錚，張強(qiáng).螺旋折流板換熱器的開發(fā)與研究：高粘度流體下的中試研究[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報，1998，18(3)：31-35.

[6]蔡志剛，張國福，宋天民.螺旋折流板與弓形折流板換熱器的性能比較[J].化學(xué)工程，2006，34(4)：13-15.