三分螺旋折流板换热器壳侧流动与强化传热研究

三分螺旋折流板换热器是申请者在1/4螺旋折流板换热器基础上提出的改进方案，具有适合正三角形排列布管，且零件数目减少等优点。本项目拟通过CFD数值模拟和性能对比实验研究三分螺旋折流板换热器壳侧流体流动和强化传热的机理、特点及主要影响因素，澄清目前存在于1/4螺旋折流板换热器的设计误区；重点研究①非连续螺旋折流板螺旋角与倾斜角的关系，以及它们对传热与流动阻力的影响；②壳程螺旋流动流场在离心力、粘性阻力、径向压力分布等因素作用下呈现的二次流等流动细节；③相邻折流板外圈连续相接或直边周向重叠形成的V形缺口处和轴向搭接形成的X形缺口处的泄漏量和泄漏方向及其对传热与流动的影响；④在性能实验基础上，分析和关联已有的和新做的实验数据，得出螺旋折流板换热器中壳侧对流换热系数、阻力系数的准则数关联式，建立螺旋折流板换热器传热与流动设计体系；从而更深刻地理解其强化传热机理，并为工程应用提供优化设计方法和程序。

研究了三分螺旋折流板换热器壳侧流动和强化传热机理以及主要影响因素。先后进行了10°、15°、20°扇形、20°轴向搭接扇形、15°椭圆折流板等五种分区布管三分螺旋折流板方案和弓形折流板方案的油-水和水-水传热性能试验，20°、24°、28°、32°单头和32°双头周向重叠螺旋折流板方案和弓形折流板方案的水-水传热性能试验；试验结果表明轴向搭接方案不如相同倾斜角的在折流板外缘首尾连接方案；折流板对称的扇形裁剪方案优于椭圆裁剪方案；双头螺旋有利于强化传热但流动阻力亦有所增大；试验范围内20°周向重叠方案的性能最优，其平均壳侧换热系数和单位压降换热系数综合指标与弓形折流板换热器的数值之比分别为1.122和2.035。通过数值模拟获得了螺旋折流板换热器壳侧的速度、压力和温度场分布。采用纵向与横向切面、倾斜切面、螺旋切面和同心正六边形切面，还采用速度矢量与压力等云图重叠显示方法全方位表现流动模式。结果清晰地显示了多种方案的螺旋折流板换热器壳侧流动的特征，特别是迪恩涡二次流和相邻折流板三角区逆向泄漏的流型。对周向重叠三分螺旋折流板换热器与周向重叠和首尾连接的四分螺旋折流板换热器，以及连续螺旋折流板换热器进行了数值模拟比较，表明无论是换热性能还是综合指标周向重叠三分螺旋折流板换热器均优于其它方案，而制造最困难的连续螺旋折流板换热器性能最差。模拟和试验结果均表明：三分螺旋折流板换热器不仅具有螺旋折流板换热器共有的流阻小、无流动死区，管子不易振动破坏和结垢等优点，而且折流板数目较少，更适合正三角形布管方案，特别是周向重叠方案可抑制相邻折流板三角区逆向泄漏，其壳侧换热系数和综合性能均超过弓形折流板换热器、1/4螺旋折流板换热器等其它管壳式换热器。还编制了螺旋折流板及弓形折流板管壳式换热器设计软件，为工程应用提供了优化方案的工具。