文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123669
三分螺旋折流板换热器二次流和防短路流场
Secondary flow and anti-shortcut leakage flow filed
of trisection-baffled helix heat exchanger
董聪,陈亚平*,吴嘉峰
ypgchen@, **********
(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,能源与环境学院,江苏南京,210096)
摘要:建立了周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧流动与传热的数学模型,对倾斜角20°的周向重叠三分螺旋折流板换热器进行了数值模拟,通过采用纵向切面、横切面和同心六边形纵向切面以及将速度矢量场与压力云图重叠显示的方式,比较清楚地显示了在螺旋折流板通道内在折流板引导下呈螺旋流动的流体受离心力作用的离心流和在径向压差作用下在靠近折流板的低速区形成的向心回流,即形成所谓迪恩涡或二次流,二次流是螺旋折流板换热器壳侧强化传热的主要机理之一;同时揭示了在相邻折流板连接处“V”型缺口处存在的“逆向泄漏”短路现象,但总体上周向重叠三分螺旋折流板方案在相邻折流板重叠处的一排管子的阻尼作用有利于抑制逆向短路漏流。
关键词:三分螺旋折流板换热器;二次流;防短路;六边形切面;数值模拟
引言
弓形折流板管壳式换热器是最常见的换热器结构型式,但其存在着壳程压降大、换热效率低、容易结垢、以及在因折流板缺口处支撑跨距较大而容易诱导管束振动破坏等缺点,因此捷克科学家Lutcha等[基金项目:国家自然科学基金项目(50976022);江苏省科技创新与成果转化专项引导资金项目(BY2011155)
]设计了一种1/4螺旋折流板换热器,以非连续的扇形折流平板形成拟螺旋通道,避免了连续螺旋折流板曲面加工制造困难的问题,在其问世后的近二十多年里受到了广泛关注[2-7]。
有关螺旋折流板换热器的研究主要集中在倾斜角(或螺旋角)的优化和非连续螺旋折流板连接处的泄漏两个问题上。主流的观点认为1/4螺旋折流板换热器的最佳倾斜角是40°[2],但也有一些实验和模拟结果显示有不同看法[6]。Zhang (张剑飞), et al. [8]通过试验比较了20°~50°之间4种倾斜角的螺旋折流板换热器方案并与弓形折流板换热器进行比较,结果表明所有螺旋折流板换热器方案的壳侧换热系数均低于弓形折流板换热器25%以上,其中具有与弓形折流板换热器相同壳体的20°倾斜角方案的壳侧换热系数平均约低30%,尽管其单位压降的换热系数综合指标因压降较低而高于弓形折流板换热器的值。该文作者认为只有缩小壳体直径才能达到使螺旋折流板换热器壳侧换热系数不降低的目的。然而对于工业过程中大量存在的保留换热器壳体更换管芯的改造项目,满足换热器的传热能力是首先应满足的指标要求,此时用单位压降的壳侧换热系数评价指标并没有实用意义。针对大倾斜角折流板换热器层距较大的问题,Stehlik, et al. [3]建议采用轴向搭接,并且认为轴向搭接可以减少相邻折流板连接处的泄漏。Wang(王树立)[9]采用激光测速仪测量了螺旋折流板换热器内的冷态流场,比较了搭接量不同对速度分布的影响,认为轴向搭接有利于提高换热器的性能。Zhang(张剑飞), et al.[10]针对中间搭接螺旋折流板换热