1　冷卻器的結構與分析

        1. 1　螺旋折流板的結構

        冷卻器的結構型式來(lái)源于輸送物 料的攪龍。最初的螺旋折流板為連續螺旋結構, 由于制造上難以實(shí)現,目前的冷卻器 都是采用斷續的近似螺旋結構,即采用若干塊四 分之一殼程橫截面的扇形板組裝成螺旋狀,每片 折流板與穿過(guò)其上的換熱管斜交。在螺旋折流板 換熱器內,介質(zhì)自殼層進(jìn)口向出口呈螺旋狀推進(jìn), 由此產(chǎn)生的離心力提高了流體的湍流程度,也避 免了大角度折返帶來(lái)的壓力損失。目前常用的螺 旋折流板帶有螺旋角α和后傾角β,其結構如圖1 所示。

        流體在殼程的流動(dòng)不僅與螺旋角有關(guān),而且 與螺旋板的具體尺寸有關(guān)�？梢愿淖兟菪�角角度 調整殼程的流通面積,可以采用一定的搭接量來(lái) 減小換熱管無(wú)支撐跨距以提高剛度,可以采用雙 螺旋或雙殼程結構來(lái)調整殼程的流體流動(dòng)。明確 螺旋折流板尺寸對傳熱及阻力性能的影響,是研 究冷卻器的一個(gè)重要課題。

1. 2　冷卻器中流場(chǎng)間的相互作用

1. 2. 1　螺旋角對流場(chǎng)的影響[5]

        一般情況下,冷卻器殼程流體的 切向速度ut大于軸向速度uz,且α越小,ut越大。 脈動(dòng)速度對α很敏感,α減小則脈動(dòng)速度增大。α 減小,阻力降增加,但與弓形折流板換熱器相比, 阻力降要小很多。

1. 2. 2　流量對流場(chǎng)的影響[5]

        在α相同時(shí),流量增大時(shí)流速沿徑向分布趨 于均勻,脈動(dòng)速度增大,有利于傳熱。這是因為流 量增大時(shí),層流邊界層變?yōu)橥牧鬟吔鐚?分離點(diǎn)提 前,管束后產(chǎn)生大量漩渦,漩渦運動(dòng)可增強液體徑 向混合,使速度沿徑向分布趨于均勻。

1. 3　螺旋流動(dòng)對換熱的影響

(1)在螺旋流動(dòng)中,切向速度產(chǎn)生作用在流 體上的離心力,流體外側壓力升高、內側壓力下 降,流體在壓差作用下從外側向內側流動(dòng),同時(shí)中 心的流體出現回流,造成二次流[5]。螺旋流和二 次流迭加,使湍流程度大幅提高,并使湍流程度在 徑向均勻化,從而強化傳熱。

(2)螺旋流動(dòng)的流體斜向沖刷管束,在傾斜 和旋轉的雙重作用下,使速度邊界層變得很薄,傳 熱系數得到大幅提高。

1. 4　冷卻器的特點(diǎn)

        與傳統弓形折流板換熱器相比,螺旋折流板 換熱器具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)殼程流體呈螺旋狀流動(dòng),流體湍流程度 加劇,層流底層厚度減薄,利于提高傳熱系數。據 國外文獻報道,與弓形板相比,螺旋折流板單位壓 降下的殼程膜傳熱系數可提高1. 8~2. 0倍,因此 在相同熱負荷下可減小換熱器的尺寸。

(2)殼程介質(zhì)的螺旋流動(dòng)使其阻力降明顯降 低,與單弓板相比,相同流量條件下可減少阻力降 約45%。

(3)殼程無(wú)滯流區和死區,無(wú)污垢沉積,可延 長(cháng)設備檢修周期。

(4)更適用于粘稠介質(zhì)和結垢嚴重的介質(zhì)。

(5)有效防止了流體誘導振動(dòng)的發(fā)生,適用 于流量波動(dòng)較大和汽液兩相的工況。

        冷卻器也有一定的缺點(diǎn),其螺旋 板管孔和定距管的加工較困難,需要專(zhuān)用胎具,管 束組裝難度較大,造價(jià)高于弓形板換熱器。

2　冷卻器的研究

        冷卻器的研究主要集中在殼程側 流體力學(xué)研究,通過(guò)對殼程側傳熱和阻力降的研 究,選取合適的螺旋角來(lái)滿(mǎn)足工程上的需要。國 外的研究機構主要有美國的傳熱研究協(xié)會(huì ) (HTRI)和英國的傳熱及流體流動(dòng)研究中心。

        國內西安交通大學(xué)是研究較早的單位,并且 獲得了多項專(zhuān)利。鄧斌等采用多孔介質(zhì)和分布阻 力模型階梯逼近技術(shù)對換熱器殼程側的層流流動(dòng) 進(jìn)行了數字模擬[6],表明殼側流體呈螺旋形流動(dòng) 并與相應的換熱器冷態(tài)試驗進(jìn)行了對比研究。王 秋旺等通過(guò)試驗對換熱器進(jìn)行了換熱及阻力性能 研究[7],發(fā)現在4管程換熱器中使用假管會(huì )使換 熱效率降低、阻力增加;在相同雷諾數時(shí),無(wú)中心 管的傳熱效率比有中心管的高30%;在相同的殼 側流量下,殼程側傳熱系數隨螺旋角增大而減小。 王良等對螺旋角為10°和15°的換熱器進(jìn)行了換 熱與阻力性能試驗[8]。

        華南理工大學(xué)傳熱強化與過(guò)程節能教育部重 點(diǎn)實(shí)驗室在強化傳熱和新型殼程強化傳熱技術(shù)方 面做了大量研究工作,率先在冷卻器 中采用低翅片管[9]。南京工業(yè)大學(xué)張少維等對 折流板間距對換熱器性能的影響進(jìn)行了數值研 究[10]。撫順石油學(xué)院的研究人員采用有機玻璃 制作了冷卻器的模型,用激光測速儀 詳細測量了流場(chǎng)的特性,研究了旋流角對速度分 布和脈動(dòng)速度的影響及流量的耦合關(guān)系,發(fā)現不 同的螺旋角和布置方式都會(huì )影響流體的速度分 布,也會(huì )影響換熱效果。彭杰等對螺旋折流板搭 接量進(jìn)行了研究,結果表明:搭接布置有利于降低 壓降,但不利于傳熱。

3　結構設計相關(guān)尺寸的計算

        目前常用的螺旋折流板為帶有螺旋角α和 后傾角β的折流板,如圖2所示。通常情況下,由 4塊螺旋折流板交錯搭接形成一個(gè)螺距。α為折 流板所在平面與管板所在平面的夾角,β為帶有 螺旋角α的折流板向流體流動(dòng)方向(軸向)后傾 的角度。將螺旋折流板的邊長(cháng)跨過(guò)設備中線(xiàn)重疊 一部分,這樣可有效減少折流板間的漏流,一般重 疊2排左右的管子。

        折流板投影圖和主視圖如圖3所示。圖3左 側是折流板在設備管板截面上的投影圖,為1/4 圓形;右側為折流板的主視圖,為近似扇形。相關(guān) 尺寸的算法如下。

3. 1　螺旋折流板邊長(cháng)、夾角及傾角的計算 如圖2所示,OO′為設備軸線(xiàn),AA″在設備軸 線(xiàn)上,BA′D″的粗實(shí)線(xiàn)部分為折流板實(shí)際空間位 置。由圖2可看出,α和β不等時(shí)折流板的兩個(gè) 邊長(cháng)不等,這樣會(huì )給生產(chǎn)中的下料帶來(lái)很大困難, 所以實(shí)際設計中盡量使兩個(gè)角度相等,下面的計 算均基于兩個(gè)角度相等進(jìn)行。

3. 1. 1　邊長(cháng)計算

        圖3中OD為折流板在管板截面投影的中心 線(xiàn),OD′為折流板主視圖的中心線(xiàn),從圖2可看出 兩個(gè)長(cháng)度相等且相當于單弓板設備的折流板半 徑。

        結合圖2和圖3可得:

        R=AB=AD

        由圖2可得出:

        R′=BA′=A′D″=R /cosα

        帶有螺旋角和后傾角的螺旋折流板,當兩個(gè) 角度相等時(shí),其實(shí)際形狀(圖3)為兩個(gè)邊長(cháng)為 R′、中心線(xiàn)長(cháng)度為R、夾角為θ的近似扇形,關(guān)于 中心線(xiàn)對稱(chēng)。

3. 1. 2　夾角θ計算

        定距管是一個(gè)回轉體,其端面要與折流板端 面貼合,所以定距管的端面傾角等于折流板傾角 γ,如圖4所示。

3. 4　定距管長(cháng)度計算

        折流板布置簡(jiǎn)圖如圖5所示。在施工圖中應 給出第1塊折流板在設備軸線(xiàn)上的中心點(diǎn)內側 (不包含壁厚)距管板內側的距離。

        拉桿的布置見(jiàn)圖3。每塊折流板的拉桿數為 偶數時(shí),應相對于折流板的旋轉軸對稱(chēng)布置;拉桿 數為奇數時(shí),應將1根拉桿布置在旋轉軸上,其余 相對于旋轉軸對稱(chēng)布置,盡量減少定距管的種類(lèi)。 先在管板的布管圖上確定拉桿的位置,以管 板內側面中心點(diǎn)為坐標原點(diǎn)給出所有拉桿中心的 坐標值。

3. 4. 1　相鄰2塊折流板之間的定距管長(cháng)度(軸線(xiàn) 長(cháng)度)

        相鄰2塊螺旋折流板之間的定距管的兩個(gè)端 面均為斜面,其軸線(xiàn)長(cháng)度計算如下:

3. 4. 2　前4塊折流板到管板內側面的定距管長(cháng) 度(軸線(xiàn)長(cháng)度)

        組成第1個(gè)螺旋的4塊折流板與管板之間的 定距管靠近管板側為平面,靠近折流板側為斜面, 其傾角為γ。

        拉桿在管板上的投影圖如圖6所示。設第1塊 折流板在管板上的投影為圖6中的第1象限,則 L11處的定距管最短,沿順時(shí)針?lè )较蚨ň喙荛L(cháng)度依 次遞增,L44處的定距管最長(cháng)。第1象限4根拉桿 中心點(diǎn)的坐標值分別為L(cháng)11(x1,y1),L12(x2,y2), L13(x3,y3)和L14(x4,y4)。

        第1塊折流板上的4根定距管按長(cháng)度由小到 大的順序如下:

        第2塊折流板上的4根定距管與第1塊上的

        階段,試驗用模型尺寸太小,研究的結果還達不到 工業(yè)實(shí)踐應用的要求,應該走產(chǎn)學(xué)研相結合的路 線(xiàn),在企業(yè)投運的裝置上獲取實(shí)際運行數據,建立 傳熱和流動(dòng)的數學(xué)模型,開(kāi)發(fā)通用的傳熱計算軟 件,盡快實(shí)現標準化設計。目前各企業(yè)已經(jīng)認識 到了冷卻器的優(yōu)越性能,愿意在裝置 中采用,但限于機械制造技術(shù)一直難以大批量生 產(chǎn)。采用先進(jìn)的制造技術(shù)和改造數控機床,解決 折流板加工和管束組裝難題、提高生產(chǎn)效率、加快 冷卻器的推廣應用,是迫切需要解決 的問(wèn)題。
更多詳情請咨詢(xún)：http://www.activerayan.com