折面螺旋折流板换热器的流动传热性能

王斯民，肖娟，王家瑞，简冠平，文键

（1西安交通大学化学工程与技术学院，陕西 西安 710049；2西安交通大学能源与动力学院，陕西 西安 710049）

折面螺旋折流板换热器的流动传热性能

王斯民1，肖娟1，王家瑞1，简冠平1，文键2

（1西安交通大学化学工程与技术学院，陕西 西安 710049；2西安交通大学能源与动力学院，陕西 西安 710049）

针对现有平面螺旋折流板换热器的相邻折流板与壳体间存在的三角漏流区，提出了一种折面螺旋折流板换热器。基于实验研究分析了折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响，并拟合了壳程对流传热和阻力系数的实验关联式。结果表明，当壳程体积流量相同时，随着螺旋角的减小，折面螺旋折流板换热器的壳程总压降增加，壳程管束压降增加，壳程膜传热系数提升，综合性能增强；相同壳程体积流量下，随着搭接度的增加，壳程总压降也增加，壳程膜传热系数增加，综合性能提高。实验研究表明螺旋角 18°、搭接度50%的折面螺旋折流板换热器流动传热性能最佳。将折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度作为修正因子拟合到了实验关联式中，对比发现实验值与Nu实验关联式计算值的平均相对误差为1.13%，与f实验关联式的平均相对误差为6.84%，说明了拟合的正确性和可靠性。研究结果为折面螺旋折流板换热器的设计提供了理论指导。

折面螺旋折流板换热器；流动；传热；三角漏流区；实验验证；实验关联式

引 言

换热器广泛应用于石油化工、电力发电、食品生产及制冷低温等行业，特别是管壳式换热器由于其结构简单，易制造，操作条件范围广及易清洗维护等特点，占据世界上总换热器数量的 35%～40%[1-3]。折流板是管壳式换热器内的重要部件，起支撑和引导壳程流体分布的作用，因此折流板的结构形式对换热器的流动减阻和强化传热有着重大意义。

弓形折流板换热器是典型的管壳式换热器，壳程流体呈“之”字型流动，易结垢，压力损失大，传热效率低，存在流动死区，流体诱导振动大[4-6]。Lutcha等[7]提出了螺旋折流板换热器，壳程流体呈“螺旋状”流动，具有沿程阻力小、传热效率高等特点。现有螺旋折流板换热器通常采用4块1/4扇形折流板搭接组成一个螺距，形成近似螺旋面。但搭接螺旋折流板换热器的相邻折流板间存在三角漏流区，使得流体短路泄漏，削弱传热效率。针对漏流，众多研究者提出了改进方案，Wang等[8-9]采用连续螺旋折流板换热器，但加工制造困难。杜文静等[10]提出六分扇形螺旋折流板换热器，采用6块1/4扇形折流板沿周向每隔60°布置，相邻折流板重叠搭接有效地减小漏流区。文键等[11-12]采用旋梯式螺旋折流板换热器，使用两块折流板形成一个螺旋周期。

针对三角漏流问题，设计研发了一种折面螺旋折流板换热器，并申请了相关专利[13]。使用新型折面螺旋折流板代替传统平面螺旋折流板，有效堵塞折流板与壳体边缘的漏流区，并且改进后的换热器性能显著提升[14]。本研究将进一步对新型折面螺旋折流板换热器的性能进行探索，通过实验研究分析折面螺旋折流板换热器的结构参数螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响，并将结构参数拟合到壳程换热和阻力系数关联式中，为折面螺旋折流板换热器的设计和结构参数选择提供理论指导。

1 折面螺旋折流板换热器

图1为目前搭接螺旋折流板换热器中平面螺旋折流板的结构形式，明显可看到在相邻折流板与壳体间存在外三角漏流区，当流体通过折流板时，虽整体呈现螺旋流动，但部分流体从漏流区快速通过，该区域布管少，实际传热面积少，使得换热性能降低。

图1 平面螺旋折流板Fig.1 Plain helical baffle

图2为改进后的折面螺旋折流板换热器中折面螺旋折流板的结构形式。折面螺旋折流板在平面螺旋折流板的基础上，于搭接处进行折弯，有效封堵了相邻折流板的豁口，避免了漏流区的轴向流动，使得流体能更好地沿螺旋通道流动。如图2所示，折面螺旋折流板的主要结构参数为螺旋角和搭接度。螺旋角β是折流板的法线与壳体轴心的夹角，搭接度e是指搭接点到壳体的垂直距离l与壳体半径的比值。

图2 折面螺旋折流板Fig.2 Fold helical baffle

2 实验系统及方法

实验主要针对不同工况下，多螺旋角多搭接度的实验试件进行性能测试，研究结构参数对折面螺旋折流板的流动传热性能影响。图3是折面螺旋折流板换热器的实物图，实验试件结构参数见表1。

实验系统主要包括管程水路循环、壳程油路循环及测试系统。壳程介质昆仑L-QC310导热油从膨胀槽通过油泵进入电加热器加热，然后输送至换热器壳程，与从水箱通过水泵进入换热器管程的冷却水进行换热。热交换结束后，被冷却的导热油回到电加热器前端进行循环，被加热的冷却水进入冷却塔冷却流回水箱，图4为实验台布置。

图3 折面螺旋折流板换热器Fig.3 Specimen of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles

表1 实验试件结构参数Table 1 Structural parameters of experimental specimen

图4 实验台布置Fig.4 Agreement diagram of experimental table

实验过程中，需测量管壳程的流量、进出口温度以及壳程的总压降和纯管束压降，测量仪表规格及精度见表2。该实验结果在定性温度为80℃下所得，管程水流量固定在18 m3·h-1左右不变，壳程导热油流量从 8 m3·h-1到 32 m3·h-1逐渐增大，每 2 m3·h-1取一个数据点进行实验。实时计算传热系数及热平衡偏差等，当热平衡偏差小于±5%才可以进行下一组实验。

表2 测量仪表规格及精度Table 2 Specification and accuracy of measuring instrument

3 数据处理

3.1 总传热系数和压降

当换热器介质没有相变、介质比热容不随着温度改变时，理想的换热器冷热流体间的热量互相平衡。但是在实际实验过程中，由于热量散热损失、测量误差、介质物性计算误差等，冷、热流体间不可能达到真正的平衡。

壳程导热油换热量

管程冷却水获取热量

故换热量的计算公式为

式中，Q为换热量，W；m为质量流率，kg·s-1；T为温度，K；cp为比热容，J·kg-1·K-1；下角标 s、t分别代表壳程、管程；下角标1、2分别代表进口、出口。

总传热系数是螺旋折流板换热器传热性能表征的最重要参数之一，总传热系数的计算如下

换热面积A计算公式为

式中，n为换热管数量；do为换热管外径，m；lc为换热管有效长度，m。

对数平均温差

总压降

3.2 综合性能指标

通常换热器壳程的膜传热系数很难直接获得，因此通常采用热阻分离法进行计算。根据实验和经验易得到换热器的总传热系数、管内膜传热系数、换热管热阻及污垢热阻等，最后可计算壳程的膜传热系数。换热器的综合性能指标采用Nus·f -1/3[15-16]。

管程膜传热系数

壳程膜传热系数

式中，ht为管内膜传热系数，W·m-2·K-1；hs为壳程膜传热系数，W·m-2·K-1；Rt为换热管内壁污垢热阻，m2·K·W-1；Rs为换热管外壁污垢热阻，m2·K·W-1；λt为换热管热导率，W·m-1·K-1；b为换热管厚度，m；di为换热管内径，m；dm为换热管中径，m。

壳程Nusselt数

特征流速

对于弓形折流板换热器

对于螺旋折流板换热器[17-18]

式中，H为板间距，m；B为螺距，m；Di为壳体内径，m；D1为管束外径，m；tp为管间距，m。

阻力系数

换热器的流动传热综合性能指标

3.3 不确定度分析

本实验的不确定度表示为[19-20]

式中，R=f(x1,x2,x3,…,xn)，R为间接测量值，而x1,x2,x3,…,xn为直接测量的变量。

经计算，对于折面螺旋折流板换热器的壳程Nusselt数和阻力系数的不确定度分别为±6.1%和±3.5%，不确定度分析的结果在可接受范围内，说明了实验和测量方案的可行性和可靠性，实验结果的不确定度满足工程需求。

4 结果分析与讨论

4.1 折面螺旋折流板换热器结构参数影响

4.1.1 螺旋角的影响 当折面螺旋折流板换热器搭接度为50%时，分析了螺旋角分别为18°、27°、35°及 40°的折面螺旋折流板换热器，不同螺旋角对压降、总传热系数以及综合性能指标Nus·f-1/3的影响。

图5 螺旋角对总压降的影响Fig.5 Effect of helical angle on total pressure drop

图5、图6为不同螺旋角下换热器壳程总压降、管束压降随壳程体积流量的变化。由图5、图6可知，随着壳程体积流量的增加，折面螺旋折流板换热器的壳程压降增加，管束压降增加，并且可知壳程管束压降大大小于壳程总压降，说明在换热器的进出口会产生较大的阻力损失。相同壳程体积流量下，随着螺旋角的增加，总压降减小，管束压降也减小。螺旋角增加，螺距增加，折流板的数量减小，流体通过的阻力减小，并且最小流通截面积增加，使得流速降低，也会导致压降减小。

图7为不同螺旋角下壳程膜传热系数随壳程体积流量的变化。结果表明，随着壳程体积流量的增加，壳程膜传热系数增加。相同壳程体积流量下，随着螺旋角的减小，壳程膜传热系数提升。当壳程体积流量为8～32 m3·h-1，螺旋角从 40°减小到 18°时，壳程膜传热系数提高了54.3%～60.5%。螺旋角减小，螺距减小，流体通过的最小流通截面积减小，故流速增加，湍动能提升，换热增强。

图6 螺旋角对壳程管束压降的影响Fig.6 Effect of helical angle on shell-side tube bundle pressure drop

图7 螺旋角对壳程膜传热系数的影响Fig.7 Effect of helical angle on shell-side heat transfer coefficient

图8为不同螺旋角下综合性能指标Nus·f-1/3随壳程体积流量的变化。由图8可知，随着壳程体积流量的增加，Nus·f-1/3增加，折面螺旋折流板换热器的综合性能提升。相同壳程体积流量下，随着螺旋角的减小，折面螺旋折流板换热器的综合性能增强，螺旋角为18°时，Nus·f-1/3最大，相比其他螺旋角下的综合性能优势明显。

图8 螺旋角对综合性能的影响Fig.8 Effect of helical angle on comprehensive performance

4.1.2 搭接度的影响 当折面螺旋折流板换热器的螺旋角为27°时，研究了不同搭接度0%、30%及50%对壳程总压降、总传热系数以及综合性能指标Nus·f-1/3的影响。

图9是不同搭接度下折面螺旋折流板换热器的壳程总压降随壳程体积流量的变化。结果表明，相同壳程体积流量下，随着搭接度的增加，壳程总压降增加。搭接度增加，折面螺旋折流板换热器的中心流通截面积减小，相同流量下的流速提升，压力损失增加，并且搭接度增加使螺距减小，相同换热长度内流过的折流板增多，阻力变大。

图9 搭接度对总压降的影响Fig.9 Effect of overlapped degree on total pressure drop

图10为不同搭接度下折面螺旋折流板换热器的壳程膜传热系数随壳程体积流量的变化。由图10可知，随着搭接度的增加，折面螺旋折流板换热器的壳程膜传热系数提升。搭接度为50%时，壳程膜传热系数最大，在壳程体积流量为8～32 m3·h-1范围内，比搭接度30%时的壳程膜传热系数平均提升了8.5%，比搭接度0%时的壳程膜传热系数平均增加了 29.1%。搭接度增加，螺距减小，最小流通截面积减小，相同流量下的流速提升，换热增强，同时折流板的数量增加，扰动增加，有利于换热。

图11为不同搭接度下折面螺旋折流板换热器的综合性能指标Nus·f-1/3随壳程体积流量的变化。相同壳程体积流量下，随着搭接度的增加，Nus·f-1/3增大，折面螺旋折流板换热器的综合性能增强，搭接度50%时的综合性能最好。搭接度直接影响着折面螺旋折流板的折弯位置，因此搭接度的选择除考虑流动传热性能外，实际设计加工制造时，需同时考虑折面螺旋折流板换热器的布管方式，加工难易程度等。

图10 搭接度对壳程膜传热系数的影响Fig.10 Effect of overlapped degree on shell-side heat transfer coefficient

图11 搭接度对综合性能的影响Fig.11 Effect of overlapped degree on comprehensive performance

4.2 折面螺旋折流板换热器壳程关联式拟合

相似原理在传热学中一个重要应用是指导实验的安排及实验数据的整理[21]。基于相似原理，折面螺旋折流板换热器的实验数据可整理为相似准则数间的函数关系，即得到实验关联式，并且将螺旋角和搭接度拟合到实验关联式中。

4.2.1 壳程对流传热实验关联式 在对流传热中，实验关联式常采用幂函数的形式，并且折面螺旋折流板换热器壳程视为外部强制对流传热，故关联式形式如下[22-23]

拟合实验关联式时涉及特征长度、特征速度及定性温度的选取。选择换热管的外径为特征长度，Re计算所用的特征流速取最小流通截面流速，壳程进出口截面温度的平均值为定性温度。依据实验所得数据拟合了Re在300～3200之间时，C、m关于螺旋角β和搭接度e的表达式如下

采用决定系数R2判断拟合的程度，对流传热实验关联式的决定系数为0.99，该值越接近1，说明拟合程度越好[24-25]。表3为部分实验点的Nu实验关联式计算值与实验值的对比。经计算全部实验点的实验值与实验关联式计算值的最大相对误差为4.71%，平均相对误差为1.13%，再次说明了拟合的正确性和可靠性。

表3 Nu实验值与实验关联式计算值的结果对比Table 3 Comparison of Nusselt number between experimental data and calculated values from experimental correlation

4.2.2 壳程阻力系数实验关联式 壳程阻力系数实验关联式的形式如下[26]

当Re在300～3200之间时，C、m关于螺旋角β和搭接度e的表达式如下

拟合过程中决定系数R2为0.98，是较为理想的拟合程度。表4为部分实验点的f实验关联式计算值与实际值的对比结果。经计算全部实验点的实验值与实验关联式计算值的最大相对误差为 18.5%，平均相对误差为6.84%。

表4 f实验值与实验关联式计算值的结果对比Table 4 Comparison of friction coefficient between experimental data and calculated values from experimental correlation

5 结 论

提出一种有效堵塞传统平面螺旋折流板三角漏流区的折面螺旋折流板。基于实验研究分析了折面螺旋折流板换热器的螺旋角和搭接度对流动传热性能的影响，并将结构参数作为修正因子拟合到折面螺旋折流板换热器的对流传热和阻力系数实验关联式中，为折面螺旋折流板换热器的设计提供理论指导。

（1）相同壳程体积流量下，当搭接度不变时，随着螺旋角的减小，折面螺旋折流板换热器的壳程总压降、管束压降增加，壳程膜传热系数提升，综合性能增强。

（2）相同壳程体积流量下，当螺旋角不变时，随着搭接度的增加，折面螺旋折流板换热器的壳程总压降增加，壳程膜传热系数增加，综合性能提升。

（3）相同壳程体积流量下，所有试件中螺旋角18°、搭接度50%的折面螺旋折流板换热器综合性能最佳。

（4）拟合了折面螺旋折流板换热器的对流传热和阻力系数实验关联式，结果表明实验值与关联式计算值的平均相对误差分别为 1.13%和 6.84%，说明了拟合的正确性和可靠性。

符 号 说 明

A——换热面积（以换热管外径计算），m2

B——螺距，m

b——换热管厚度，m

C——实验关联式系数

cp——比热容，J·kg-1·K-1

D——壳体直径，m

D1——管束外径，m

d——换热管直径，m

de——特征长度，m

e——搭接度，%

f——阻力系数

g——管程数

H——换热管长，m

h——膜传热系数，W·m-2·K-1

K——总传热系数，W·m-2·K-1

L——壳体长度，m

l——搭接点到壳体垂直距离，m

lc——有效换热长度，m

m——质量流量，kg‧s-1

Nu——Nusselt数

n——换热管数量

Pr——Prandtl数

p——压降，Pa

Δp——壳侧压降，Pa

Q——换热量，W

qV——体积流量，m3‧s-1

R——污垢热阻，m2·K·W-1

Re——Reynolds数

Sz——流通截面积，m2

T——温度，K

tp——管间距，m

Δtm——对数平均传热温差，K

u——特征速度

β——螺旋角，(°)

δ——折流板厚度，m

λ——热导率，W·m-1·K-1

ρ——流体密度，kg·m-3

下角标

i,o,m——分别为壳体换热管的内、外、中

s,t——分别为壳程、管程

1,2——分别为进、出口

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date:2017-05-18.

Prof.WEN Jian,jianwen@mail.xjtu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51676146).

Flow and heat transfer performance of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles

WANG Simin1,XIAO Juan1,WANG Jiarui1,JIAN Guanping1,WEN Jian2
(1School of Chemical Engineering and Technology,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,Shaanxi,China;
2School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049,Shaanxi,China)

A kind of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles was proposed to eliminate the triangular leakage zones between adjacent baffles and shell.The effect of helical angle and overlapped degree on flow and heat transfer for shell-and-tube heat exchanger with fold helical baffles was studied based on investigation.The experimental correlations of convection heat transfer coefficient and resistance coefficient in shell side were obtained.The results show that the shell-side total pressure drop,shell-side tube bundle pressure drop,shell-side heat transfer coefficient and comprehensive performance all increase with the decrease of helical angle and the increase of overlapped degree under same shell-side volume flow rate.The flow and heat transfer performance of shell-and-tube heat exchanger with helical baffles is the best when helical angle is 18°and overlapped degree is 50%.The helical angle and overlapped degree as correction factor are added into experimental correlations.It is found that the average relative error between experimental values and experimental correlation of Nusselt number is 1.13%,the average relative error is 6.84% between experimental values and experimental correlation of resistance coefficient,which illustrates the fitting is correct and reliable.The results have a degree of theoretical guidance for design of shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles.

shell-and-tube heat exchangers with fold helical baffles; flow; heat transfer; triangular leakage zones;experimental validation; experimental correlation

TK 124

A

0438—1157（2017）12—4537—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170641

2017-05-18收到初稿，2017-06-25收到修改稿。

联系人：文键。

王斯民（1977—），男，副教授。

国家自然科学基金项目（51676146）。