三分螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)和傳熱性能研究.pdf

1、三分螺旋折流板換熱器是在1/4螺旋折流板換熱器基礎(chǔ)上提出的一種新型螺旋折流板換熱器。它繼承了避免流動(dòng)死區(qū)、有效降低殼側(cè)壓降、不易誘導(dǎo)振動(dòng)和不易結(jié)垢等螺旋折流板換熱器的共同優(yōu)點(diǎn)，但是具有適合絕大多數(shù)管殼式換熱器采用的正三角形布管的特點(diǎn)。其設(shè)計(jì)思路是每個(gè)螺旋周期由三塊折流板組成，在螺距近似相同下其折流板零件數(shù)目比1/4折流板方案少25％。本文采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入研究三分螺旋折流板換熱器高效強(qiáng)化傳熱的主要機(jī)理。
　　

2、對(duì)傾斜角為10°、15°和20°的扇形折流板方案（10°s、15°s和20°s），傾斜角為15°的橢圓折流板方案(15°e)，傾斜角為20°的軸向搭接扇形折流板方案(20°d)的分區(qū)布管三分螺旋折流板換熱器和作為對(duì)比的螺距為115mm的弓形折流板換熱器(seg1)傳熱和阻力性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)據(jù)分析采用軸向雷諾數(shù)Rez,o作為自變量，殼側(cè)努賽爾數(shù)Nuo、軸向歐拉數(shù)Euz，o作為因變量以及采用Nuo/Euz,o無(wú)因次組合數(shù)作為綜合性能指標(biāo)

3、。在傾斜角為10°～20°三分螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，20°s方案的綜合性能最佳但殼側(cè)壓降最小;15°s方案的殼側(cè)傳熱性能和殼側(cè)綜合性能都優(yōu)于相同司傾斜角的15°e方案;螺距相當(dāng)?shù)?5°s方案與20°d方案的平均性能相近。在傾斜角為10°～20°三分螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)傾斜角為20°、24°、28°和32°單頭折流板方案(20°c、24°c、28°c和32°c)和32°雙頭折流板方案(2-32°c)的周向重疊三分螺

4、旋折流板換熱器以及作為對(duì)比螺距為80mm的弓形折流板換熱器(seg2)進(jìn)行水-水傳熱實(shí)驗(yàn)研究。周向重疊方案的實(shí)驗(yàn)表明:在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，總體傳熱系數(shù)K、殼側(cè)換熱系數(shù)ho和殼側(cè)壓降Δpo都隨著傾斜角的增加而減小，20°c方案的傳熱和綜合性能最佳，其平均殼側(cè)換熱系數(shù)、壓降和綜合性能指標(biāo)（ho/Δpo）的平均值分別是弓形折流板方案相應(yīng)值的1.12倍、0.56倍和2.035倍，雙頭折流板方案(2-32°c)的傳熱性能優(yōu)于相同傾斜角的單頭折流板方案(

5、32°c)。
　　為了揭示劇向重疊結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性和強(qiáng)化傳熱機(jī)理，對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的最佳方案20°c進(jìn)行數(shù)值模擬研究。構(gòu)建了子午切片M1、偏心切片E1、螺旋切片S1-S3、橫切片f1和f2以及正六邊形切片H1-H4，采用云圖疊加速度矢量的方法。結(jié)果顯示速度、壓力和溫度均呈周期性分布，殼體近壁面附近流速較大，低速區(qū)集中在折流板背面。壓力沿螺旋流動(dòng)的縱向和周向呈階梯狀下降。每個(gè)螺旋周期中螺旋流體在離心力作用下形成離心流，在向心壓差的作用下形成

6、向心流，最終在離心流和向心流的相互作用下產(chǎn)生迪恩渦二次流，二次流能有效促進(jìn)強(qiáng)化傳熱。周向重疊結(jié)構(gòu)在相連折流板之間的V型缺口內(nèi)一排管束的阻尼作用下，其逆向泄漏被有效抑制，螺旋通道內(nèi)的流動(dòng)接近于“柱塞流”。
　　對(duì)四種螺距近似相同但折流板連接方式不同的三分螺旋折流板換熱器殼側(cè)流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究。給出了殼側(cè)速度矢量分布，殼側(cè)軸向速度分布，殼側(cè)切片上的云圖，換熱管T1-T9和換熱管層N1-N4上局部換熱系數(shù)分布以及總體性能變化

7、曲線。結(jié)果表明:周向重疊(20°TCO)方案殼側(cè)換熱系數(shù)最大，綜合性能指標(biāo)（ho/Δp）最優(yōu)。通過(guò)橫切片、子午切片和正六邊行切片上的流場(chǎng)分布可知每個(gè)方案中都存在迪恩渦二次流，但20°TCO方案的強(qiáng)度最強(qiáng)。20°TCO方案、周向重疊(20°TEE)方案在相鄰折流板的V型缺口區(qū)域都存在逆向泄漏短路現(xiàn)象，但在20°TCO方案中明顯少于20°TEE方案。20°TBV方案沒(méi)有出現(xiàn)逆向泄漏，但在上游折流板連接處出現(xiàn)了死區(qū)。軸向搭接(36.2°TMO

8、)方案在X型缺口外側(cè)開(kāi)啟一個(gè)直接短路到下游通道的捷徑，使殼側(cè)流速和二次流強(qiáng)度明顯減弱。
　　對(duì)螺距近似相同但折流板形狀或裝配方式不同的傾斜角為20°三分周向重疊(20°TCO)、傾斜角為18°四分的周向重疊(18°QCO)和首尾相連(18°QEE)以及螺旋角為18.4°的連續(xù)(18.4°CH)螺旋折流板換熱器的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行模擬研究。展示了螺旋切片S1和同心正六邊形切片H2和H3上速度云圖疊加速度矢量，換熱管T1-T9和同心換

9、熱管層N1-N4上局部熱流密度分布以及總體性能變化曲線。結(jié)果顯示:螺旋切片中流體呈螺旋狀流動(dòng)。正六邊行切片觀察到不同方案在相鄰折流板V型缺口的逆向泄漏情況明顯不同。T1換熱管局部熱流密度遠(yuǎn)高于外側(cè)換熱管，V型缺口附近局部熱流密度較大。20°TCO方案總體傳熱系數(shù)K、殼側(cè)傳熱因子jo、殼側(cè)阻力系數(shù)ξo和平均綜合性能指標(biāo)(jo/ξo)都最優(yōu)。
　　依據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，本文較為完整的研究了不同傾斜角和不同結(jié)構(gòu)的三分螺旋折流板換熱器以