管壳式换热器未来的发展方向――无中心管连续螺旋折流板换热器

管壳式换热器是石化、制冷、冶金等工业生产过程的主要工艺设备之一。目前在我国石油化工行业中,换热设备投资占设备投资的30%以上；另一方面，换热器本身也是能源二次回收、节能设备，所以，换热器的能效对生产的节能降耗有重要的意义。所有在换热设备中,使用量**的是管壳式换热器，其中80%以上的管壳式换热器仍采用弓形折流板光管结构。这种结构决定了换热器传热效果差,壳程压降大,与我国正在推行的节能降耗政策不相适应。随着强化传热理论的研究，为了提高换热效率，将高效传热管与壳程强化传热的支撑结构相结合，发展新型高效换热器是换热器发展的重要方向。
根据壳程强化传热理论，按流体在壳程的流动方式，管壳式换热器又分为：横向流、纵向流和螺旋流，决定其流动方式的结构是管束支撑件。横向流换热器的代表是弓形折流板换热器，该类型结构简单，可实现大型化制造， 应用较为广泛等优势。缺点是存在流动死区，易积垢、压降大，易发生流体诱导振动，综合性能降低。纵向流换热器的代表是折流杆换热器，该结构避免了流体诱导振动的现象，不存在流动死区，但制造和安装困难。螺旋流换热器的代表是螺旋折流板换热器，主要可以分为非连续型和连续型两大类。螺旋折流板换热器由前捷克斯洛伐克国家化工设备研究所Lmcha和 Nemcansky于20世纪80年代提出并用于核电厂反应堆，后由ABB公司获得知识产权，其优点是：壳程流动近似柱塞流，旋转流动产生漩涡，易于破坏换热管表面边界层，有利于换热；有效改善了流动死区，同时减轻了积垢现象，延长了使用寿命：减小了壳程压降，特别适用于高黏度流体；换热管间无支撑跨距减小，减缓了流体诱导振动。
搭接型螺旋折柳换热器是研究和应用最多最广泛的，属于无中心管非连续性折流板换热器。研究的影响因素包括螺旋角、搭接量、折流板形状以及数量、螺旋结构形式等。现有研究表明：螺旋角对总的传热效率影响很大，但不宜超过50°；搭接量10%三角区的漏流可以得到很大遏制，增大搭接量会造成压降增加，使得能耗增加；折流板的形状有椭圆形、扇形、折边性、菱形等，分片的数量有3、4和6片，其换热性能均比同类型的弓形折流板有所提高。但由于折流板的搭接，造成在搭接区域存在三角漏流，导致该区域换热效率急剧下降，有些工况下甚至比弓形折流板还低；由于搭接区域与壳体的返流，导致整体流动阻力增加，压降增大，能耗增加。而且，随尺寸的增大和折流板数量增加，制造和安装的精度要求高。现有研究的连续性螺旋折流板换热器结构形式存在中心管。连续螺旋折流板换热器能够使换热器壳侧形成理想螺旋柱塞流，真正的螺旋流动得以实现，提高了换热效率。研究表明：在相同Re时，使用中心管结构的Nu数都明显低于不用中心管结构的，中心管的存在抑制了涡旋核心的产生；中心管半径增加，整体的换热管数量变少，换热面积减少，导致换热性能降低；中心管半径增大，壳侧压降降低，但存在一个**，并不是越来越小。折流板是环绕中心管形成的， 实际上是一种曲面结构，给加工制造带来很大的难度。结合搭接型和连续性两种螺旋折流板结构的优点，2019年提出了无中心管的连续折流板的加工工艺，申请了一系列发明专利，并加工了少量试样，拟开发相关工艺包，实现批量生产。在此基础之上，建立了换热器的能效测试平台，对同规格的弓形折流板换热器和无中心管连续螺旋折流板换热器样机进行换热性能、能耗测试。

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