三分螺旋折流板换热器的数值模拟和试验研究

摘要

三分螺旋折流板换热器是在1/4螺旋折流板换热器基础上提出的改进方案，具有适合正三角形排列布管，且折流板零件数目减少等优点。本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方式，进行了三分螺旋折流板换热器壳程流体流动和强化传热研究，在以下几个方面开展了研究和创新性工作：
　　 1、三分螺旋折流板换热器更适合于正三角形排列布管的管壳式换热器结构。针对三分螺旋折流板换热器的分区布管方案和周向重叠均匀布管方案，提出了三分螺旋折流板换热器壳程结构的设计方法，尤其是对螺旋折流板换热器中被混淆的螺旋角和倾斜角进行深入论述，并指出应以当量螺旋角来描述非连续螺旋折流板换热器壳侧流体流动总趋势。
　　 2、分析了分区布管相邻折流板首尾相连方案和均匀布管相邻折流板周向重叠方案的三分螺旋折流板换热器轴向和径向参数分布，确定了相邻折流板形成的V型缺口处向上游的流动可以增大壳体中心流速，增强中心区域传热；对比轴向搭接的螺旋折流板连接方式形成的X型缺口则开启了壳侧流体向下游流动的旁路捷径将会造成传热特性的恶化，否定了目前在螺旋折流板换热器设计中普遍采用的将相邻折流板轴向搭接的方案。同时肯定了相邻折流板周向重叠方案对于壳程流体“防短路、防漏流”的有益作用。这是推荐采用的三分螺旋折流板换热器结构型式，具有更强的壳程流场均匀化效果和强化传热能力。
　　 3、建立了三分螺旋折流板换热器壳侧流动和传热的数学模型，利用CFD数值模拟详细分析了不同倾斜角和连接方式的四种三分螺旋折流板换热器方案。模拟结果表明，壳侧整体流线分布呈现近似螺旋流动，在螺旋折流板通道内几乎没有流动死区；对倾斜角15°首尾相连的扇形三分螺旋折流板换热器壳侧流体的流动和传热规律进行了重点分析，其模拟结果较直观地显示了壳侧流场、压力场和温度场等分布，显示了螺旋折流板换热器壳程的流动和传热的模拟状况，为分析螺旋折流板构件对壳程流体流动和传热性能的影响提供了理论基础；折流板倾斜角15°首尾相连方案和35°轴向搭接方案的换热器壳体中心区域和搭接外缘区域都明显存在流体短路现象，而倾斜角35°首尾相连方案和30°周向重叠方案的壳侧无明显短路。重点考察了四种换热器方案壳侧流体受离心力和压力共同作用下在流道内典型切面上形成迪恩涡二次流的路线以及一个完整螺距周期内多个切片上的流线分布，为三分螺旋折流板换热器壳侧复杂的流动提供可视化概况，有利于揭示螺旋折流板换热器在强化传热传质和降低流动阻力方面的机理。
　　 4、对倾斜角为10°至20°的不同当量螺旋角的三分螺旋折流板换热器方案进行油-水传热与阻力性能实验，并与弓形折流板换热器进行对比。结果证实了三分螺旋折流板换热器具有良好强化传热效果，其壳侧综合性能系数h/△P1/3比弓形折流板提高26％左右。在一定范围内，证明了相对螺距较大即当量螺旋角较大的方案的换热性能较高，阻力较小；轴向搭接减小了螺距和当量螺旋角，虽然布置的折流板数量较多，但其性能反不如相同倾斜角的不搭接方案；在相同的倾斜角下，扇形折流板方案的当量螺旋角比螺距较小的椭圆折流板方案的大，其综合性能亦明显优于后者；确定了把当量螺旋角作为描述非连续螺旋折流板换热器内流体总体运动状态的指标；通过实验数据回归得到了传热和压降的准数关联式，提出了采用h/△P1/3作为换热器的综合性能评价指标比采用h/△P（即单位压降下的传热系数）更合理；最后将模拟结果与实验结果的同一参数随各自对应自变量的变化趋势进行对比分析，两者之间的吻合误差大多在±5%以内，验证了三分螺旋折流板换热器整体计算模型用于壳侧流场与温度场数值模拟研究的可行性和合理性以及模拟结果的正确性。