半圆柱空间梯式螺旋折流板换热器传热性能试验研究

苏金栋，陈亚平，吴嘉峰，费凤繁，杨诗繁

(东南大学 能源与环境学院，南京 210096)

0 引言

管壳式换热器因其结构坚固、运行稳定可靠、易于制造和安装维修、对各种过程工况和换热流体的适应性较强等优点，被广泛应用于发电、石油、化工、食品和制冷等工业生产中[1-5]。U形管换热器是管壳式换热器的一种，其只有一块管板，管束与壳体的拆装比较方便，且其热补偿性好、承压能力较强，非常适合应用于高温、高压的场合[6]。采用U形管束的给水加热器是电厂系统中的重要设备，其壳侧传热过程分为过热蒸汽冷却段、蒸汽冷凝段和疏水冷却段3个部分，其中过热蒸汽冷却段和疏水冷却段都是在半圆柱空间内的逆流传热，提高U形管束给水加热器壳侧的换热性能可提升电厂系统的整体热效率。壳侧折流板不仅用于支撑管束，而且通过改变壳侧流动和增加扰动来强化壳侧换热[7]。但传统弓形折流板方案存在流动死区、传热系数较低、阻力损失较大且容易诱导振动和结垢等缺陷[8-10]，因此有多种折流板结构被提出，尤其是螺旋折流板换热器高效低阻的特性使其得到广泛关注。

LUTCHA等[11]提出四分螺旋折流板换热器，并通过试验表明其传热综合性能优于传统弓形折流板换热器。ANDREWS等[12]利用数值模拟的研究方法，得出四分螺旋折流板换热器具有优良的传热性能。陈亚平[13]认为四分螺旋折流板比较适合于正方形布管方案，而对于应用更加广泛的正三角形布管方案，建议采用三分螺旋折流板方案；随后,CHEN等[14]进一步提出了三分周向重叠螺旋折流板换热器的结构方案，将扇形折流板的两条直边适当外扩至管排之间，使相邻折流板的周向重叠部分能容纳一排管子，可抑制三角区漏流，并且折流板对称且其直边没有半个孔的问题。董聪等[15]对三分周向重叠、四分周向重叠、首尾相连和连续螺旋折流板4种螺旋折流板换热器进行了数值模拟，发现采用三分周向重叠方案的相邻螺旋折流板中，三角区缺口处的漏流较少，壳侧换热性能最好，且优于连续折流板方案。CAO等[16]对连续螺旋折流板、不同搭接度的四分螺旋折流板和一种采用四分折流板形成的六分螺旋折流板的方案进行了数值模拟，结果表明该六分螺旋折流板方案具有更好的换热性能。YANG等[17]对内外两个壳程的连续螺旋折流板换热器进行了数值模拟，结果表明可使换热器的压降减小和换热系数增大。LIU等[18]提出采用一种新型的折叠螺旋折流板换热器来减少折叠折流板在壳侧区域形成的漏流，并通过数值模拟方法进行对比分析，得到其综合性能Nuf-1/3可提高6.38%～10.35%的结论。WEN等[19-20]提出一种可明显改善三角区漏流问题的旋梯式螺旋折流板换热器，使得换热器壳程流体流动更接近于螺旋流，并使用PIV(粒子图像测速)手段进一步观测其壳侧流场。

本文对半圆柱空间换热器的3种不同梯式螺旋折流板方案和弓形折流板方案进行试验研究，并对比分析不同折流板结构的传热和流动特性，探究在半圆柱空间换热器中梯式螺旋折流板结构的强化传热效果。

1 试验台系统

整个换热器性能试验台系统主要分为冷热流体流程系统、试验芯体和数据测量采集与控制，试验台所处的环境温度和大气压力保持基本稳定。

1.1 冷热流体流程系统

以半圆柱空间换热器的壳侧为研究对象，换热器采用公用壳体、芯体可置换的方式，半圆柱空间换热器的结构参数如表1所示。

表1 半圆柱空间换热器的结构参数Tab.1 Structural parameter of half-cylindrical space heat exchanger

试验系统换热器管侧和壳侧采用逆流布置的方式，壳侧为热侧，管侧为冷侧，两侧工质均为水。图1示出试验流程、试验换热器的结构和照片。

(a)试验流程

(b)试验换热器结构

(c)试验换热器照片图1 半圆柱空间换热器试验系统Fig.1 Test system for half-cylindrical space heat exchanger

试验流程的壳侧循环回路主要由电加热器、水泵、流量计等组成；管侧循环回路主要由流量计、散热器和水泵等组成。两侧回路都设有排气阀，在试验开始前用于排出系统内的气体，从而避免对壳侧流量测量产生影响。回路中还设有压缩空气阀门和排气阀，以方便在更换试验芯体时进行充液排气和充气排液；高位的上水箱通过重力作用对循环回路进行充液及提供热胀冷缩空间，并为水泵入口提供正吸入压头。试验过程中，壳侧进口温度为70±0.3 ℃，流量为14～24 L/min；管侧进口温度控制为40±0.3 ℃，流量为10 L/min和20 L/min。

1.2 试验芯体

换热器的芯体采用将折流板焊接在3根拉杆上的方式来固定折流板的相对位置，不同的试验芯体除了折流板类型和导程不同外，其余结构参数均保持一致。试验芯体的折流板共有4种类型，分别为单斜板梯式螺旋折流板、双斜板梯式螺旋折流板、单折弯梯式螺旋折流板和弓形折流板，其局部示意图如图2所示(左侧为3D模型图，右侧为实物照片)。制作了导程(板间距)分别为40 mm和50 mm两套折流板试验芯体，其中单斜板梯式螺旋折流板方案是由一组径向放置的圆缺状折流板和倾斜放置的圆弧端条状折流板组成；双斜板梯式螺旋折流板方案是将单斜板方案中径向放置的圆缺状折流板倾斜一定角度来减小漏流；单折弯梯式螺旋折流板方案是将单斜板方案中倾斜的圆弧端条状折流板左右端折平，用来更好地连接折流板和封堵漏流区。

图2 试验换热器芯体折流板结构示意

试验芯体的命名规则如下：字母SH,DH,FH,S分别代表单斜板梯式螺旋折流板、双斜板梯式螺旋折流板、单折弯梯式螺旋折流板、弓形折流板；数字40和50代表折流板的导程(板间距)。8种试验芯体的折流板参数如表2所示。

表2 试验芯体折流板参数Tab.2 Parameters of the experimental cores with different baffles

1.3 数据测量采集与控制

试验过程中测量的直接参数主要有温度、流量、压降。管侧和壳侧的进出口温度均采用Pt100铂电阻温度传感器测量，不确定度为±0.15 K。用艾默生F025流量计测量管侧和壳侧回路流体的质量流量，用Rosemount差压传感器测量压降，两者的测量不确定度均为±0.1%。测量信号均由Agilent 34970A采集仪收集并传输到工控机中，通过LabView软件编程程序完成对试验数据的采集处理与储存。

试验过程中需要对管侧和壳侧的进口温度、流量进行控制，使各个试验芯体达到相同的工况条件。通过改变电加热器的占空比来改变加热功率，以达到控制壳侧热水进口温度的目的。管侧循环回路串联一台板翅式散热器降温，通过变频器调节风扇的频率来控制散热量大小，从而维持管侧冷却水进口温度的恒定。两侧回路的流量调节均通过变频器改变水泵频率实现。上述频率和功率的调节可通过LabView软件编程集成为控制面板放于可视化主界面中，该软件同时还设有瞬时参数的数值窗口，可实现对相关参数更好的控制。

2 数据处理及不确定度分析

2.1 数据处理

以管侧和壳侧进出口的平均温度作为定性温度来确定两侧流体的密度、导热系数、黏度等物性参数[23]，考虑到系统向环境中散热等不确定因素的影响，将管侧和壳侧的平均传热量作为系统的传热量。以传热管的外表面积作为换热器的总传热面积，总传热系数K通过下式计算得到：

(1)

式中,Q为系统传热量，W；A为总传热面积，m2,A=nπdol；n为传热管总数目；do为传热管外径，m；l为传热管长度，m；ΔTm为对数传热温差，K。

管侧换热系数hi可由下式得到：

(2)

式中，λi为管内流体的导热系数，W/(m·K)；di为传热管内径,m；Rei和Pri分别为管内流体的雷诺数和普朗特数。

(3)

式中,λ为传热管的导热系数，W/(m·K)。

对于不同结构的半圆柱空间换热器方案，由于实际流速的确定比较困难，本文采用壳侧轴向雷诺数Rez,o来体现壳侧流量的变化，Rez,o的计算公式如下:

Rez,o=wodo/υo

(4)

(5)

式中,wo为轴向速度,m/s;υo为流体的运动黏度,m2/s;Go为壳侧质量流量,kg/s;ρo为壳侧流体密度,kg/m3;Ds为换热器壳体内径,m。

采用壳侧努塞尔数Nuo和壳侧轴向欧拉数Euz,o作为反映换热器壳侧传热和阻力性能的无量纲准则数，其计算公式如下:

Nuo=hodo/λo

(6)

(7)

式中,λo为壳侧流体的导热系数,W/(m·K);Δpo为换热器壳侧的压降,Pa。

2.2 不确定度分析

试验过程中,温度、压降和流量等直接测量参数产生的测量误差会传递给换热系数、综合性能等间接测量参数，从而产生间接测量误差。对试验台的主要仪表进行精度分析，可以得到直接测量参数温度、压降和流量的不确定度，并根据误差的传递原理得到间接测量参数的不确定度。经计算，不同折流板试验芯体间接测量参数传热量和壳侧换热系数的平均相对不确定度分别为±2.09%和±9.01%。图3示出了换热器所有试验点的壳侧与管侧传热量的相对偏差图。

图3 热平衡偏差Fig.3 Relative deviation of heat balance

从图3可以看出，大部分试验点的壳侧与管侧传热量相对偏差值均在±3%以内，表明试验数据具有较好的可靠性。

3 结果分析

对8种试验芯体在相同的工况下进行了传热试验，图4示出各个方案换热器的性能参数随壳侧流量变化的曲线。从图4(a)(b)可以看出，各个方案的总传热系数和壳侧换热系数均随着壳侧流量的增大而增大，对于相同的折流板类型，导程为40 mm时的方案均高于导程为50 mm的方案；在相同的导程下，螺旋折流板方案的传热性能均高于弓形折流板方案，且在螺旋折流板方案中，单斜板方案(SH)和双斜板方案(DH)的传热性能接近，且均略低于单折弯方案(FH)。

(a)总传热系数K (b)壳侧换热系数ho

在相同的条件下，螺旋折流板方案的壳侧换热系数均优于弓形折流板，这是由于壳侧流体在弓形折流板形成的通道中呈蛇形流动，易形成流动死区，从而使传热恶化；而梯式螺旋折流板可在半圆柱空间中形成拟螺旋流道，可大大减少流动死区的产生，强化了传热。在螺旋折流板方案中，壳侧换热系数为FH>SH>DH，这是由于在相同导程下FH方案的倾斜折弯板有更大的倾斜角，有利于壳侧流体介质的混合，使其温度分布更加均匀，且在折流板搭接处避免了漏流区的形成，从而强化了传热。螺旋折流板方案的壳侧压降均小于弓形折流板，其中在螺旋折流板方案中，壳侧压降为FH>SH>DH，这是由于在相同导程下双斜板方案(DH)的折流板倾斜角更小，螺旋流的速度改变较为平滑，故其有更小的压降，而FH方案由于漏流区的减小，抑制了流体流动的“短路”，减小了流体的流体截面积，从而增大了流动阻力。

(a)ho·ho,S-1

(b)Δpo·Δpo,S-1

(a)壳侧努塞尔数Nuo

(b)轴向欧拉数Euz,o图6 壳侧努塞尔数和轴向欧拉数数据及其拟合曲线Fig.6 Fitting curves of Nusselt number and Euler number on the shell side

在大量试验数据的基础上，可以获得关于壳程努塞尔数和轴向欧拉数的计算关联式，为工程应用提供计算方法。受试验换热器的换热管数量较少和只加工了两种螺距的试验芯体的限制，难以得到努塞尔数与梯式螺旋折流板螺距的关系，故在换热器折流板螺距一定的情况下，对壳侧努塞尔数和轴向欧拉数进行线性回归分析，图6示出在螺距为40 mm时各结构的壳侧努塞尔数和轴向欧拉数及其拟合曲线。在本文研究范围内(Rez,o=4 000～9 000)，通过线性回归拟合的关联式如式(8)(9)所示，不同结构类型梯式螺旋折流板和弓形折流板半圆柱空间换热器在螺距为40，50 mm时的拟合关联式系数C和n如表3所示。公式(8)(9)可为螺旋折流板在半圆柱空间换热器中的工程应用提供参考。

Nuo=C1Rez,on1Pr1/3

(8)

Euz,o=C2Rez,on2

(9)

表3 拟合关联式系数Tab.3 The coefficient of fitting correlation

4 结论

在相同工况下，对半圆柱空间下的梯式螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器进行了试验研究，通过对比分析其传热和压降性能，得到如下结论。

(1)6种螺旋折流板方案的总传热系数和壳侧换热系数均优于相同导程下的弓形折流板方案，其中性能最优的单折弯梯式螺旋折流板方案(FH)的壳侧换热系数在导程40 mm和50 mm时比弓形折流板方案(S)分别平均提高了16.00%和16.57%，这是由于FH方案在折流板搭接处既避免了漏流区的形成，又方便利用拉杆套管对折流板固定，由于其折流板有更大的倾斜角，有利于壳侧流体的混合，从而强化了传热。

(2)在相同导程下，弓形折流板方案(S)的压降最大；单折弯梯式螺旋折流板方案(FH)次之；双斜板梯式螺旋折流板方案(DH)最小。DH方案的压降在导程40 mm和50 mm时可比S方案分别平均降低18.09%和20.55%，这是由于在相同导程下DH方案的折流板倾斜角更小，螺旋流的速度改变较为平滑，故其有更小的压降。

(4)基于试验研究的数据，线性回归分析壳程努塞尔数和轴向欧拉数与轴向雷诺数的相关性，得到了关于半圆柱空间换热器壳程努塞尔数和轴向欧拉数的计算关联式，可为工程应用提供理论参考。