摘要：对三分螺旋折流板换热器和对比方案弓形折流板换热器的传热和压降性能进行实验测试,其中,三分螺旋折流板换热器包括倾斜角分别为10°,15°,20°的扇形折流板,倾斜角为15°的椭圆折流板和倾斜角为20°的扇形搭接折流板5种方案.实验结果表明,20°倾斜角扇形折流板方案的壳侧换热系数最高且压降较低;折流板轴向搭接方案并不合理;当量螺旋角对换热器的性能起决定作用.根据实验数据拟合出含有倾斜角修正因子的三分螺旋折流板换热器壳侧换热系数的关联式,所计算的10°,15°和20°扇形折流板方案的数值与实验值相比误差大多小于±10%.
由于传统弓形折流板管壳式换热器存在流动死区、传热系数较低、流动压降较大、容易产生诱导振动等缺点, Lutcha等发明了一种新型管束支撑方案[1]———1/4螺旋折流板换热器.理论与实验研究[2-9]基本确认了此类螺旋折流板换热器具有较高的传热系数,可消除壳程流动死区,降低壳程流动压力损失,有效抑制污垢的形成,以及抑制管束的振动破坏等优良性能.
1/4螺旋折流板方案比较适合于正方形排列布管的方案,但是管壳式换热器中大量使用的是最为紧凑的正三角形排列布置的管束,而在倾斜的1/4扇形折流板上进行正三角形排列布管时由于折流板形状与布管区域不匹配,因而设计和加工制造比较困难,影响了此类换热器的普及应用.针对这一缺陷文献[10-11]提出了三分螺旋折流板管壳式换热器方案,将圆筒截面分成三等分,每块折流板的投影占据120°夹角,折流板的2条直边可布置在正三角形排列管束的相邻管排之间.确定两侧换热系数是换热器传热设计的重要内容.管内侧对流换热系数采用经典的Dittus-Boelter公式已被广泛认同,而壳侧换热系数的计算对于弓形折流板式换热器有科恩(Kern)、多诺霍(Donohue)等方法[12];而对于螺旋折流板换热器相关的讨论还不多,本文根据实验数据拟合出相应的壳侧换热系数关联式.
1 试验装置
实验系统流程见图1,实验时以质量分数20%的乙二醇水溶液为加热流体(走管程),导热油为冷却流体(走壳程).油在试验件中被加热后引入板翅式换热器由风洞冷却,通过变频器调节风机流量来控制进油温度.主要测量仪器及设备有:质量流量计、铂电阻温度计、差压变送器和安捷伦公司生产的34970A数据采集仪,并以美国NI公司的LABVIEW软件平台编制程序实施操作,测量数据每10s巡读一遍.图2为现场布置示意图.
三分螺旋折流板和弓形折流板管壳式换热器管束及折流板的布置见图3.三分螺旋折流板换热器布管方案有分区布管(见图3(a))和折流板周向重叠布管(见图3(b))2种.前者的优点是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,形成比偶数管程更接近逆流传热的三管程管内流动;后者的优点是相邻折流板的2条直边周向重叠穿过同一排管子,不仅解决了在整体均匀排列管束条件下的折流板对称布置问题,而且提高了管束的刚性,并可减少相邻折流板形成的三角区的逆向泄漏.换热器管束布置图见图3(c),管子数目为三分螺旋折流板方案48根,弓形折流板方案49根.
试验件换热器的壳体为公用,芯子可更换,管程和壳程都是单程,逆流布置.换热器壳体内径126mm,管子10mm×1mm×1 196mm,折流板外径123mm,相邻管子中心距为15mm.在70和60℃的进水温度与40和30℃的进油温度下进行正交排列试验.试验时热水侧(20%的乙二醇水溶液)阀门开度不调节,保持相对恒定的流量,以维持管内侧换热系数基本不变.
螺旋折流板按照裁剪方法可分为椭圆和扇形2种[11].分别对10°,15°,20°倾斜角的扇