螺旋折流板换热器壳程传热与流动性能的数值研究及结构优化

摘要

螺旋折流板换热器具有换热效果好、壳侧压降小、管束不易结垢以及能防止管束流体诱导振动等诸多优点。随着节能政策对换热设备的要求越来越高，需要对影响壳程性能的因素进行全面比较，新型的高效低阻换热器也急需研究推广。
　　 本文采用数值模拟的方法对螺旋折流板换热器进行计算，分析了不同切割形式的螺旋折流板片对其壳侧传热和阻力特性的的影响，并对传统螺旋折流板换热器进行优化，得到性能更优越的新型换热器结构。主要工作如下:
　　 1、利用ANSYS软件进行数值模拟计算，建立了螺旋折流板换热器的计算模型。通过网格独立性验证得到了既有效又经济的网格数量，合理选择湍流模型、修正物性参数，定义边界条件及求解器控制等，保证计算的可信度。并对壳程Re数及特征流速的定义进行了详细计算，作为数据处理的基础。
　　 2、研究比较了在不同螺旋角下，不同切割形式的折流板对壳程换热性能的影响，并应用三场协同原理进行分析。结果表明在小螺旋角(β=20°)时，椭圆板片综合换热性能更好;大螺旋角(β=40°)时扇形板片情况占优。研究结果对于工程应用中合理选择板片结构有一定的参考意义。
　　 3、提出了一种高效低阻的新型螺旋折流板换热器。与以往将研究重点集中在折流板区域不同，本文采用了以椭圆管代替传统圆管管束的方法，达到强化换热的目的。计算表明:在β=30°、2000＜Re＜7000时，椭圆管螺旋折流板换热器的换热与圆管的相当甚至更优，且大大减小了壳程压降，综合换热性能提高32～40％。椭圆管强化换热的效果表示在性能评价图的第三象限，说明是难得的既强化换热又降低阻力的情况。这是因为在相同的场协同数Fc下，椭圆管的速度与压力梯度的协同角θm均大于圆管的，具有更好的三场协同程度。
　　 4、为优化其壳侧综合性能，对不同螺旋角及长径比的椭圆管螺旋折流板换热器分别进行计算，得到综合性能最优的结构参数为:β=35°，X=2.5。