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螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核


第 33 卷 第 26 期 2013 年 9 月 15 日 文章编号:0258-8013 (2013) 26-0075-06



国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号:TK 124



Vol.33 No.26 Sep.15, 2013 ?2013

Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号:470?10

75

文献标志码:A

螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核
张剑飞,陶文铨,何雅玲
(热流科学与工程教育部重点实验室(西安交通大学),陕西省 西安市 710049)

A Calculation Method for Helical Baffled Heat Exchanger Design and Experimental Validation
ZHANG Jianfei, TAO Wenquan, HE Yaling
(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering, Ministry of Education (Xi’an Jiaotong University), Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China) ABSTRACT: Correlations for predicting flow and heat transfer characteristics at the shell side of a helical baffled heat exchanger were summarized by referring to relevant literatures. A series of correction factors were applied to flow and heat transfer correlation equations of ideal tube bank to obtain the shell-side pressure drop and heat transfer coefficient of specific helical baffled heat exchangers. Based on the correlations and Bell-Delaware method, a calculation method for shell-side flow and heat transfer performance was proposed, which can be used for the design and check of helical baffled heat exchangers. Meanwhile, the shell-side pressure drop and overall heat transfer coefficient of an actual oil cooler with helical baffles were tested and applied to the verification of the calculation method. Results show that the proposed design method can basically meet the requirements for engineering application. KEY WORDS: helical baffles; heat exchanger; pressure drop; heat transfer; experiment; calculation method 摘要: 提出了用于螺旋折流板换热器壳侧阻力及换热性能预 测的关联式, 即通过一系列修正因子对流体掠过理想管束的 阻力及换热关联式进行修正后获得具体换热器的阻力及换 热性能参数,并基于 Bell-Delaware 方法,总结了用于螺旋 折流板换热器的热力设计方法, 该方法可用于螺旋折流板换 热器的设计和校核。 同时, 选用一台螺旋折流板油冷器实际 产品进行了实验测试, 获得了其壳侧压降和总传热系数, 并 将测试获得的壳侧压降和总传热系数用于热力设计方法的 校核, 通过对比发现, 所提出的热力设计方法可以基本满足 工业设计的初步设计要求。
基金项目:国家自然科学基金项目(51206129);国家重点基础研究 发展计划项目(973 计划)( 2013CB228300)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51206129); The National Basic Research Program of China(973 Program) (2013CB228300).

关键词:螺旋折流板;换热器;压降;传热;实验;热力设 计方法

0 引言
换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等行 业中使用的一种重要设备。管壳式换热器占整个换 热器市场的 30%左右。其中弓形折流板管壳式换热 器是应用较久,也较为广泛的一种。但是由于其结 构特点,存在沿程压降较大;易出现流动死区;易 结垢并且易诱导换热管振动等缺点,长久以来一直 有研究者不断对其进行改良,但是都未能脱离其基 本结构带来的缺陷[1-3]。 20 世纪 90 年代初,由捷克科学家 Lutcha, Stehlik,Nemcansky 以及 Kral 等首次提出螺旋折流 板换热器,并对其做了系统的研究[4-6],研究表明, 螺旋折流板换热器具有压降低、振动小、结垢少, 以及综合换热性能好等优点。国内外学者在螺旋折 流板换热器的流动和传热特性的规律性研究及结 构改进方面发表了一系列成果[7-19],这些研究的侧 重点都在于对比不同换热器之间的流动阻力以及 换热性能的变化情况,虽然这些研究获得了一些阻 力与换热变化的数据和关联式,但是由于模型尺 寸、模型数量、实验条件和实验范围的限制,这些 数据和关联式的适用范围较为有限,在工程实际中 的推广应用有一定的限制。同时这些研究中采用的 模型也大多为实验模型,其几何参数和工艺参数都 与实际应用的换热器和运行工况有较大差异,相关 数据在推广到实际应用中时也会带来额外的误差。 对于工程应用而言,螺旋折流板换热器要能得 到推广应用,首先是要能针对工程要求进行换热器

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第 33 卷

的准确设计计算,从而才能加工制造出可供工程应 用的设备。如果没有恰当的热力设计方法,换热器 的设计制造和应用便无从谈起。目前来讲,弓形折 流板管壳式换热器已经有了较为成熟的设计方法 和设计软件,如广泛应用的 Bell-Delaware 方法
[20]

在壳侧形成近似的螺旋面,使换热器中的壳侧流体 产生连续的螺旋状流动。一般来说,出于加工方面 的考虑,取 2—4 块折流板为一个螺旋周期,相邻 折流板之间有连续搭接和交错搭接两种方式,按流 道又可分为单螺旋和双螺旋两种结构。 图 1 所示 为常见的中间交错搭接四块折流板组成一个螺旋 周期的管束布置,图 2 为连续搭接的形式,并给出 了主要几何参数的定义。

和 ASPEN 和 HITRI 等软件。而在螺旋折流板换热 器的阻力及换热特性关联式和设计方法方面则公 开报道很少
[5,21]

,主要原因在于影响换热器性能的

几何和工艺参数很多,要总结较为通用的设计方法 需要参考大量的实际运行数据,需要花费大量的时 间和成本。在文献[5]中,螺旋折流板换热器的发明 者参考 Bell-Delaware 方法对弓形折流板和螺旋折 流板管壳式换热器的换热及压降进行比较,将影响 壳侧换热和压降的各因素归纳为若干个因子,通过 确定各因子的值来修正横掠管束的流动和阻力关 联式,从而获得螺旋折流板管壳式换热器壳侧的压 降和换热系数值,但是文中只给出了部分的信息, 并没有完整的设计方法的介绍,并且所有的影响因 子均是采用图线的形式表示,不便于工程应用。文 献[21]基于文献[5]的研究成果提出了用于螺旋折流 板换热器设计的一种快速算法,通过该方法研究了 流速和螺旋角等对螺旋折流板阻力和换热特性的 影响,但是并没有对提出的方法进行实验校核。 基于文献[5]的研究成果并结合一系列文献, 笔 者总结出了用于单相介质、光管、单壳程螺旋折流 板换热器壳侧阻力及换热系数计算的关联式,并将 文献 [5] 中的一系列图线拟合为数学表达式以便工 程计算和程序编制。以这些工作为基础,作者参考 Bell-Delaware 方法,提出了用于螺旋折流板管壳式 换热器的设计方法,并结合相关实验参数对其进行 了校核 ,该 方法的 详细 介绍和 相关 验证可 见文 献[22-23]。在本文中,除了对该方法进行简单介绍 之外,进一步选用一台工业实际应用中的螺旋折流 板换热器对该方法在工业实际产品热力性能预测 中的精度和可靠性进行实验验证,以考核该方法在 实际工程应用中的效果。
图2 Fig. 2
D

图1 Fig. 1

中间交错搭接模式

Middle-overlapped connection

β
B

连续搭接螺旋折流板 Continuous connection

2 螺旋折流板管壳式换热与压降计算关 联式
2.1 螺旋折流板换热器壳侧换热系数关联式 Nu 数计算公式[5,24]为:
Nulam = 0.664 Re0.5 Pr 0.33

1

螺旋折流板的结构特点
螺旋折流板换热器是将折流板布置成近似的

(1) (2)

Nuturb =

螺旋面,使换热器中的壳侧流体呈连续的螺旋状流 动。理想的折流板布置应该为连续的螺旋曲面。但 是,螺旋曲面加工困难,而且换热管与折流板的配 合也很难实现。考虑到加工上的方便,可以采用一 系列的扇形平面板(称之为螺旋折流板)替代曲面,

0.037 Re0.7 Pr 1 + 2.433Re?0.1 ( Pr 0.67 ? 1)

螺旋折流板换热器壳侧平均 Nu 数:
2 2 Nus = 0.62 × (0.3 + Nulam + Nuturb )Y2 ?

Y3Y4Y7Y8Y9Y10 螺旋折流板换热器壳侧平均换热系数:

(3)

第 26 期

张剑飞等:螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核

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hs = ( Nus ? λs ) / l
换热管外周长的 1/2。 2.2 螺旋折流板换热器壳侧阻力关联式

(4)

热系数 k0 和已知的热负荷初算换热器所需的传热 面积 A0。

式中:λs 为导热系数;l 为特征尺度;此处定义为

5)选取换热管的型号,确定管径,根据传热
面积 A0 和工艺设计要求(如换热器长度选定或壳径 选定)确定管子的长度、根数以及壳径等[20,23]。

单位螺距下不考虑旁路流时流体螺旋流过管 束的压降[5]:
1 2 ΔPt1 0 = 2λ22 nr ρ s u Z 2 Z 6 Z 7

6)选定折流板螺旋角及搭接比例。 (5) 7)计算出当前工艺参数下的换热及压降修正
因子从而确定当前工艺参数条件下螺旋折流板管 壳式换热器的壳侧换热系数和管侧换热系数以及 壳侧和管侧总压降,然后计算出当前工艺参数下换 热器的总传热系数 k。管内换热系数的计算可以使 用 Gnielinski 公式[26],而管内阻力的计算可以参考 文献[20,23]中的相关公式。

式中:λ22 为流体横掠理想管束阻力因子; n1 r 为流 体掠过的总管排数;u 为壳侧平均流速。 考虑旁路流动时的螺旋折流板换热器管束区 压降[5]为

ΔPt 0 = ΔPt1 0
式中 lt0 为进出口管间距。 进出口区压降[5]:

lt 0 Z3 B

(6)

8) 计算出当前设计参数以及当前总传热系数 k
下换热器所达到的热负荷Φ,当 较之Φ0 有一定的 裕度时即符合要求。若不满足则调整 k0,并重复步

ΔPtn = ΔP Z 5 Z 3
1 t0

(7)

骤 4)—8)直至符合要求。 在校核模式下,所有的参数都为已知,所进行 的只是已知设备的性能验算,所以可以直接根据相 应关联式计算换热器的阻力与换热性能参数,无需 假设与迭代。 根据所提出的热力设计计算方法开发了相应

进出口接管压降损失大小[25]为
ΔPnozzle = 1.5 × 0.5 ρ v 2

(8)

式中 v 为进出口管内流体流速。 换热器壳侧总压降:

ΔPall = ΔPtn + ΔPnozzle + ΔPt 0
的详细介绍可参考文献[5,22-23]。

(9)

的热力计算软件,并获得软件著作权登记,其计算 流程图如图 3 所示。
开始 设计 读取处理初参数 假定初始 总换热系数 k 预估换热器未知 设计几何参数 计算当前工艺参 数下的换热及流 动修正因子 利用关联式计算 壳侧和管侧换热 系数和压降 否 设计热负荷是否 有足够的裕度? 是 否 压降是否低于 许用压降? 是 输出计算结果 物性计 算模型 校核 读取处理初参数 计算当前工艺参 数下的换热及流 动修正因子 利用关联式计算 壳侧和管侧换热 系数和压降 输出计算结果

有关系列修正因子 Y 和 Z 的定义以及计算方法

3

算法设计
有关修正仿照 Bell-Delaware 换热器设计方法,

设计了螺旋折流板换热器的热力设计方法,该方法 可用于换热器设计计算,也可用于校核计算。设计 计算和校核计算的流程可参考 Bell-Delaware 换热 器设计方法。 在设计模式下,一个管壳式换热器设计任务通 常是规定了换热器的热负荷以及所允许的壳侧最 大压降,需要设计一个换热器使得它能在规定的壳 侧最大压降范围内达到所需的换热量,步骤如下:
调整 k值 调整 k值

1)确定热负荷Φ0,并根据一侧流体的换热量
来确定另一侧流体的流量或者进(出)口温度。

2)根据介质的腐蚀性、黏度、结垢特性等情
况确定换热器内管束布置形式。

3)由壳侧和管侧流体的进出口温度确定两侧
流体的定性温度以及换热器的对数平均温差,并确 定两侧流体的物性参数。

图3 Fig. 3

计算流程图

4)初选换热器的传热系数 k0,根据初选的传

Calculation flow chart

78















报 表2 Tab. 2
项目 压降 换热量 总传热系数

第 33 卷 实验的不确定度

4

实验校核
为校核本计算方法的准确度,文献[22-23]中选

Uncertainties of experiments
不确定度/% ±(1.71~5.68) ±(8.66~9.87) ±(8.67~9.87)

用实验数据初步对其进行了精度校核对比,所用的 实验对象主要为实验模型。在本文中,选用一台由 国内某换热设备公司提供的螺旋折流板油冷器产 品进行了实验测试,所有的工艺条件均符合工业标 准,并将测试数据用于热力设计方法的校核,进一 换热器的几何参数见表 1。
表1 Tab. 1 油冷器几何参数 Geometry parameters for oil cooler
项目 壳侧参数 壳外径/壳内径/mm 材料 管外径/管内径/mm 有效管长/mm 管子数目 管侧参数 布管方式 管间距/mm 材料 管程数 螺距/mm 折流板参数 螺旋角 板厚/mm 折流板数 尺寸及说明 325/309 不锈钢 10/8 2250 440 30o 13 不锈钢 2 195 15
o

20

壳侧压降/kPa

步验证该方法在工业实际应用中的精度和可靠性。

15

10

5 10 14 18 22 26

壳侧体积流量/(m3?h?1)

图4 Fig. 4
300 总传热系数/(W?m?2?K?1)

压降变化曲线

Variations of shell-side pressure drop with volume flow rate

250

200

2.5 44

150 10

14

18

22

26

实验测试方法可参考文献 [7] 。测试中以水和

壳侧体积流量/(m3?h?1)

320 导热油为换热工质, 水为冷流体,走管内。油
为热流体,走壳侧;导热油通过可调节功率的电加 热器进行加热,并保证其进出口平均温度,即定性 温度基本恒定在 35.5 ℃左右,偏差不超过 0.5 ℃, 以减小由于物性数据的计算偏差引起的误差。被加 热后的水通过冷却塔进行冷却,循环用的水贮存于 蓄水箱中,通过水泵进入系统循环使用。 采用涡轮体积流量计进行水和油流量的测量, 通过电磁阀调节流量。采用四线制 Pt100 铂电阻温 度计测量油和水的进出口温度。压降的测量采用

图5 Fig. 5

总传热系数变化曲线

Variations of overall heat transfer

coefficient with volume flow rate

5

压降及总传热系数校核对比
由于测试的油冷器各参数均为已知,采用热力

设计方法进行校核计算来估算各实验状态下油冷 器壳侧的阻力和传热特性,由于实际应用中更为关 注换热器的总传热系数,所以对比选用了总压降和 总传热系数作为对比参数。 相关的对比结果见表 3。 从对比数据可以看出,对于该换热器,随着流 速的变化,总传热系数在高流速下的预测精度优于 低流速 下; 压降估 算值 的偏差 分布 相对平 均。

4951 差 压 变 送 器 。 所 有 测 量 参 数 均 转 换 由 KEITHLEY2700 数据采集仪采集进入电脑进行实
时观测和处理。实验中水流量基本固定,通过调节 油的流量来改变工况,系统的热平衡偏差小于 5%, 实验测试的不确定度见表 2,不确定度的计算依据 文献[23,27]。 实验测试所得的油冷器压降和总传热系数变 化曲线如图 4、5 所示。

Gnielinski 公式是预测光管管内强制对流传热系数
精度最高的关联式,即便对于光管这种简单的结 构,其预测误差最大也可达到正负 20%[26]。考虑到 螺旋折流板换热器结构的复杂性,所涉及的几何参 数和过程参数的多样性,该方法的预测结果误差虽 然达到 30%,但可以满足工业应用的初步设计要

第 26 期

张剑飞等:螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核 表3 Tab. 3 实验校核

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Experimental validation
预测值 偏差 壳侧总压降/kPa 3.41 4.39 5.32 6.52 7.83 8.97 11.46 总传热系数/% 壳侧总压降/% 65.16 50.34 43.84 40.52 37.62 33.42 31.73 ?39.65 ?36.01 ?36.44 ?33.06 ?31.91 ?31.00 ?29.30
2 -1

比较 工况 1 2 3 4 5 6 7

壳侧流速/ (m·s-1) 0.43 0.51 0.58 0.65 0.73 0.80 0.94

实验数据 总传热系数/(W·(m ·K) ) 170.3 196.99 213.23 237.79 251.04 267.48 283.67
2 -1

壳侧总压降/kPa 5.65 6.86 8.37 9.74 11.50 13.00 16.21

总传热系数/(W·(m ·K) ) 281.27 296.15 306.7 334.15 345.48 356.87 373.68

求,现已应用到实际的油冷器开发中。分析误差产 生的原因,首先在于所采用的阻力与传热关联式本 身就有一定的预测误差;其次,影响换热器性能的 工艺参数和几何参数非常多,计算中将主要的影响 因素归结为几种修正因子,目前采用的修正因子确 定方法是根据文献获得的,是根据有限的实验数据 总结而来,在推广到更广泛的应用条件时也会引入 一些误差。要提高方法的预测精度,则需要不断在 工程实际中根据换热器的工艺和几何参数以及实 际运行参数对修正因子的影响规律进行修正以使 其适用性和准确性不断提高。如果在工程实际中是 针对具体的某一类型换热器进行设计计算,也可以 直接采用实验测试获得相关的阻力及传热关联式 并结合本文提出的思路进行设计和校核计算,虽然 其可推广性有较大局限,但是在限定的范围内针对 具体类型的换热器进行应用则可以很大程度上提 升预测精度。

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6 结论
1)文中介绍了螺旋折流板换热器的热力设计
方法,该方法可用于螺旋折流板换热器的设计计算 和校核计算。

2)对一台实际应用的螺旋折流板油冷器进行
了实验测试,获得了流动及传热特性参数。

3)针对文中所对比的换热器,本文所介绍的
热力计算方法在总传热系数和总压降的估算方面 准确度有待进一步提高,目前可以作为工业设计的 初步设计估算方法,计算结果可为结构设计和工艺 设计的进一步调整提供参考和依据。

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80 31(10):1521-0537.

















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(责任编辑

王庆霞)

螺旋折流板换热器热力设计方法及其实验校核
作者: 作者单位: 刊名: 张剑飞, 陶文铨, 何雅玲, ZHANG Jianfei, TAO Wenquan, HE Yaling 热流科学与工程教育部重点实验室 西安交通大学,陕西省 西安市,710049 中国电机工程学报

英文刊名: 年,卷(期):

Proceedings of the CSEE 2013(26)

参考文献(27条) 1.Mukherjee R Use double-segmental baffles in the shell-and-tube heat exchangers 1992(11) 2.Sthlik P.Wadekar V V Different strategies to improve industrial heat exchange[外文期刊] 2002(06) 3.Bell K J Heat exchanger design for the process industries[外文期刊] 2004(06) 4.Lutcha J.Nemcansky J Performance improvement of tubular heat exchangers by helical baffles 1990(03) 5.Stehlik P.Nemcansky J.Kral D Comparison of correction factors for shell-and-tube heat exchangers with segmental or helical baffles 1994(01) 6.Kral D.Stelik P.Van Der Ploeg H J Helical baffles in shell-and-tube heat exchangers,Part One:Experimental verification 1996(01) 7.Zhang J F.Li B.Huang W J Experimental performance comparison of shell side heat transfer for shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and segmental baffles 2009(08) 8.Zhang J F.He Y L.Tao W Q 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and continuous baffles-Part I:numerical model and results of whole heat exchanger with middle-overlapped helical baffles 2009(23-24) 9.Zhang J F.He Y L.Tao W Q 3D numerical simulation on shell-and-tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and continuous baffles-Part II:simulation results of periodic model and comparison between continuous and noncontinuous helical baffles 2009(23-24) 10.Wang Q W.Chen G D.Chen Q Y Review of improvements on shell-and-tube heat exchangers with helical baffles 2010(10) 11.汲水.杜文静.程林 双壳程连续螺旋折流板换热器的数值模拟[期刊论文]-工程热物理学报 2010(04) 12.Ji S.Du W J.Wang P Numerical investigation on double shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles 2011(2011) 13.汲水.杜文静.王鹏 交错搭接螺旋折流板换热器壳程流动与传热的场协同分析[期刊论文]-中国电机工程学报 2011(20) 14.Zhang Z G.Li Q X.Xu T Condensation heat transfer characteristics of zeotropic refrigerant mixture R407C on single,three-row petal-shaped finned tubes and helically baffled condenser 2012 15.Farhad N T.Sirous Z M.Kazem R Baffle space impact on the performance of helical baffle shell and tube heat exchangers 2012 16.曹兴.杜文静.汲水 搭接量对螺旋折流板换热器壳程性能的影响[期刊论文]-中国电机工程学报 2012(08) 17.孙海涛.陈亚平.吴嘉峰 周向重叠三分螺旋折流板换热器壳侧传热性能[期刊论文]-化工学报 2012(05) 18.Liu L.Ling X.Peng H Analysis on flow and heat transfer characteristics of EGR helical baffled cooler with spiral corrugated tubes[J] 2013(44) 19.Chen Y P.Sheng Y J.Dong C Numerical simulation on flow field in circumferential overlap trisection helical baffle heat exchanger 2013(01) 20.Schlünder E U Heat Exchanger design handbook 1983 21.Jafari Nasr M R.Shafeghat A Fluid flow analysis and extension of rapid design algorithm for helical baffle heat exchangers 2008(11-12) 22.Zhang J F.He Y L.Tao W Q A design and rating method for shell-and-tube heat exchangers with helical baffles 2010(05) 23.张剑飞 螺旋折流板换热器壳侧传热与阻力特性及换热器热力设计方法的研究和软件开发 2009

24.Schlünder E U.Editor-in-Chief Heat Exchanger Design Handbook 1983 25.Gaddis E S and Gnielinski V Pressure drop on the shell side of shell-and-tube heat exchangers with segmental baffles [外文期刊] 1997(02) 26.杨世铭.陶文铨 传热学 2006 27.Rose J W Heat-transfer coefficient,Wilson plots and accuracy of thermal measurements 2004(2-3)

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