第14卷 第1期 石油化工高等学校学报
Vol.14 No.12001年3月zyzq
J OU RNAL OF PETROCHEM ICAL UN IV ERSITIES
Mar.2001 文章编号:1006-396X (2001)01-0064-04
王素华, 王树立3, 赵志勇
(抚顺石油学院化工机械系，辽宁抚顺113001)
摘 要: 用激光测速仪详细测量了螺旋折流板换热器的流场特性，着重研究了旋流角对速度分布和对脉动速度的影响及其与流量的偶合关系，并对速度分布对换热性能及阻力的影响做了详细的分析和讨论。模型换热器采用有机玻璃制作，壳体尺寸为<200mm ×6mm ×3000mm (外径×壁厚×长度)，换热管外径为15mm ，共52根，均匀布置。折流板倾斜角度取30,35,40,42°四种，双头布置。实验介质为常温下自来水，流量测量采用转子流量计，流量范围为3～20m 3/h 。一般情况下，随着旋流角的减小，切向速度分量增大，脉动速度也相应增大，有利于换热；流量增加使速度沿径向分布趋于均匀。但螺旋角减小， 流动损失也随之增加，尤其在旋流角小于35°以后，流动损失增加幅度加快。综合考虑，建议使用螺旋板角度为35°。
关键词: 螺旋折流板; 换热器; 流动特性; 激光测速中图分类号: TQ051.5 文献标识码:A
传统的管壳式换热器多采用弓形折流板(图1)，它的优点是结构简单、制造方便。其缺点是:(1)流动死区大，换热系数小;(2)流动压降大。为了解决上述问题，文献[1]提出了将折流板设计成与壳体横断面有一个倾斜角度，使流体在壳程旋转流动，称为螺旋折流板换热器(Heat exchanger with helical baffles ，图2)。螺旋折流板换热器的设计思想是将折流板分成4块，首尾相接，与管束布置成一定的倾斜角度，形成螺旋流道。按流道多少可分为单头或双头螺旋折流板。螺旋折流板换热器的优点主要有:(1)螺旋流动增强了流动湍动，强化传热;(2)相同流量下，流动压降小;(3)不易结垢;(4)消除了弓形折流板后面的卡门涡，防止流动诱导振动;(5)对于低雷诺数下(Re <1000)的传热，其效果更为突出。 收稿日期:2000-03-13
作者简介：王素华(1972-
校正曲线)，女，辽宁盘锦，在读硕士研究生。
3通讯联系人。
文献[2]对螺旋折流板换热器传热性能做
了实验研究，得出在相同条件下，较弓形折流板换热器提高传热系数1.8倍，降低流动阻力25%。关于流动特性的研究至今国内外均未见任何报道。
在换热器换热过程中，热量传递是受流体流动规律支配的。不同的旋流板角度，及不同的布置方式，都要影响流体速度分布，也会影响
换热效果。因此，为了更好地作好旋流板换热器开发工作，得出最佳螺旋折流板换热器结构，必须清楚了解速度分布特性。为此，本文对旋流板换热器流场作了试验研究，对试验结果做了讨论分析，并提出了建议。
1 实验设备及方法
切筋模型换热器采用有机玻璃制作。壳体尺寸
为<200mm ×6mm ×3000mm ，换热管外径为15mm ，共52根，均匀布置。折流板倾斜角度取30,35,40,42°四种，双头布置
。实验介质为常温下自来水，流量测量采用转子流量计，流量范围为3～20m 3/h 。用PLDV 激光测速仪测量速度，采用氩离子激光器，功率为1W 。
图3为实验流程图。用循环水泵将水箱中的水打出经过流量计计量流量，然后进入换热器，用倒U 形管差压计测量换热器压降。
2 结果及分析
为了便于分析对比，将实验结果绘成曲线，请见图4、5。图中u z 为轴向速度,u t 为切向速度。u ′z 、u ′t 分别为轴向和切向的湍动速度,u ′=
u ′2
。图5为在不同流量下，流动损失随旋
流板角度的变化关系曲线。图中纵坐标欧拉数
为:
Eu =Δp/(ρu 2
)
(1)
式中,Δp 为流动压降,ρ为流体密度,u 为平均速度。
从实验结果中可得出:
(1)旋流板角度α对流场的影响。在实验所在的旋流角α范围内，一般切向速度u t 大于轴向速度u z 。旋流角越小，切向速度u t 则越大。脉动速度对旋流角α很敏感,α减小则脉动速度增大。
(2)流量对流场的影响。相同旋流角α时，流量增大使速度沿径向分布趋于均匀，脉动速度增大。这是因为流量增大时，边界层变成湍流边界层，分离点提前，管束后面产生大量的旋涡，旋涡运动增强流体径向混合，使速度沿径向分布趋于均匀化。
(3)旋流板角度α对流动损失的影响。在换热器的开发中流动损失Δp 也是一个重要指标。在实验所在的流量范围内，随着旋流板角度α的减小，流动损失逐渐增大(图5)。当旋流板角度α小于35°时，曲线斜率增大，这意味着流动损失增加剧烈。
3 结论与建议
(1)螺旋流动对换热器性能的影响
螺旋折流板换热器的螺旋折流板使流体在壳程产生旋转流动，其优点主要在于:a.螺旋流动会产生作用在流体上的离心力。在离心力的作用下周期的改变速度方向，从而加强了流体的纵向混合；另外，旋流产生的二次流动的强烈冲刷既可增强换热又有不易结垢的独特优势。b.螺旋流动的流体斜向冲刷管束，在倾斜和旋转的双重作用下，使速度边界层变得很薄，使换热系数大大增大。c.螺旋流和径向二次流相迭加，使湍流强度大幅度增强，并使湍流度径向分布均匀化，从而增强换热。d.只要设计合理，会使流动完全沿着螺旋折流板方向流动，没有死区。e.螺旋流动使流动压降减小到最低限度。f.螺旋折流板换热器，对于低粘度流体、高粘度流体及流体有无相变等情况均适用，尤
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6 第1期 王素华等.螺旋折流板换热器流动特性研究
其是对于高粘度流体，一侧或两侧为层流流动
状态的换热器，效果更为突出。
(2)理想的旋流板换热器结构旋流板换热器特点也既优点是在壳程产生旋转流动，因此，理想的旋流板换热器结构应该是能充分利用旋转流动来实现增强换热，降低阻力损失的目的。
旋流板角度是一个关键参数，从实验结果来看，旋流板角度越小，则流动的切向分量越大。切向速度分量对换热器性能的影响主要有:a.切向速度分量有利于横向冲刷换热管，减
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小边界层厚度，增强流体脉动，有利于换热。b.切向速度分量可使流体产生离心惯性力，在离心惯性力的作用下，产生二次流动，既沿半径方向的流动，使流动扰动大幅度增加，增强换热。c.旋流板角度越小，则流动的切向分量越大。这实际上是增加了流体在换热器中的流动路程，也就相当于是增加了换热面积。d.旋流板角度减小，在某种程度上要增大流动损失。但无论如何旋流板换热器的流动损失一定比同等条件下弓形板换热器的流动损失要小得多。从以上分析得出，一般情况下，当流体粘度和流动速度不是很大时，旋流板角度应采用小一点为益。
(3)几点建议
在从事旋流板换热器设计时，从流动特性角度分析，应力求:
a.湍流度(脉动速度)大;
b.边界层薄;
c.速度分布均匀(只有速度分布均匀，换热系数才能均匀);
d.切向速度大;
滤扇e.死区小(壁面附近速度大);
f.通过对实验结果的分析可以得出旋流角
α应取小些为益，但又不要太小，在35°左右为好。
参考文献
[1] Lutuha J ,
Nemcansky J.Performance improvement of tubular heat exchangers by helical baffles [J ].Trans
IchemE.,1990,68(A ):263～270
[2] Stehlik P et al.Comparison of correction factors for shell -and -tube heat exchan gers with segmental or helical
baffles[J ].Heat transfer Engineering ,1994,15(1):55～65
鞋套[3] Kral D ,Stehlik P.Helical baffles shell -and -tube heat exchan gers ,Part1:experimental verification [J ].Heat
Transfer Engineering ,1996,17(1):93～101
Studies on Flow Characteristic of Heat Exchangers With Helical Baffles
Wang Suhua , Wang Shuli 3, Zhao Zhiyong
(Depart ment of Mechanical Engineering ,Fushun Pet roleum Institute ,L iaoning Fushun 113001,China )
Abstract : The flow field in shell -and -tube heat exchangers with helical baffles was measured using LDV ,The influence on the velocity distribution ,impulsive speed by helix inclination angle and flow rate was investigated.The influence on heat -exchanging capability and flow resistance of velocity distribution was also investigated.The dimension of heat -exchanger used in experiments is <200mm ×6mm ×3000mm (outer diameter ×wall thickness ×length )and is made of organic glass.The tube bundle was consists of 52tubes with external diameter 15mm.There are four kinds of baffle inclination angles designed in double helix style ,namely 30,35,40,42°.The actuating medium working under normal temperature is service water.The rotator flowmeter is chosen to measure the volume of flow var ying from 3to 20m 3/h.G enerally ,the line speed and impulsive speed will increase with helix inclination angle decreasing correspondingly ,which promotes the heat -exchanging capability.The flow volume increasing makes velocity distribute along diameter uniformly .But flow loss will increas corres pondingly with helix inclination angle decreasing ,especially when helix inclination angle is less than 35°,the loss increases sharply.With a comprehensive consideration ,it is proposed that the helix inclination angle be 35°.
K ey w ords : Helical baffles ; Heat exchanger ; Flow characteristic ; Laser doppler anemometer
3To whom corres pondence should be addressed.
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(Ed.:T ,W )
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6 第1期 王素华等.螺旋折流板换热器流动特性研究
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