扇叶型折流板换热器壳程传热性能及管束动特性研究

摘要

随着社会的发展，能源问题日渐突出，传统的化石能源日渐枯竭，节能减排和新型能源开发一直是能源领域的热点。换热器作为能源领域余热回收、热能传递的重要设备，其效能将直接影响能源的利用率。换热器的可靠性影响着整个生产流程，流体诱导振动是导致管壳式换热器失效的主要原因之一，长久以来相关工作者们提出了多种抗振措施，笔者在前人研究的基础上提出了一种扇叶型折流板换热器来预防流体诱导振动，并比较了扇叶型折流板换热器和螺旋折流板换热器性能。研究了不同结构参数对该换热器性能的影响，最后利用“缝接法”对扇叶型折流板换热器内换热管动态特性进行了分析。本文主要研究内容及成果如下： (1)为了更好地抑制流体诱导振动，根据前人研究成果提出了一种扇叶型折流板换热器，并利用CFD软件FLUENT对比研究了扇叶型折流板换热器和螺旋折流板壳程传热性能，结果显示：雷诺数在 2500~7500 时，扇叶型折流板换热器壳程传热系数比螺旋折流板换热器提高了3.19%~48.48%；螺旋折流板换热器壳程压降比扇叶型折流板换热器降低了45.19%~47.06%；当雷诺数大于6500时，扇叶型折流版换热器综合性能高于螺旋折流板换热器综合性能，高雷诺数下扇叶型折流板换热器综合性能优于螺旋折流板换热器；两种换热器流态相似，中心区域流速要比筒体附近区域低，在扇叶型折流板换热器中这种流速差距更大；扇叶型折流板换热器内壳程流体要比螺旋折流板换热器中的壳程流体更早的进入充分发展阶段，导致扇叶型折流板换热性能较高；利用场协同原理研究传热机理得知，扇叶型折流板换热器壳程流体流场和温度场协同性优于螺旋折流板换热器，因此前者具有更好的对流传热特性。 (2)研究了折流板安装角、布管方式、折流板设置方式及折流板间距对扇叶型折流板换热器性能的影响，结果显示：安装角 60°时壳程压降最低，比安装角30°和45°时分别降低了89.3%~91.7%、68.3%~78.1%；安装角为30°的换热器壳程传热系数高于另外两者，比安装角 45 °和 60 °时分别提高了9.4%~19.3%、26.6%~31.7%；安装角 60°时换热器壳程综合性能均明显高于另外两者，表明安装角 60°时换热器的传热与阻力综合性能最好；换热管排布能够明显影响扇叶型折流板换热器性能，合理的管束布置方式能够有效改善该类换热器性能；外缘密集布管时扇叶型折流板换热器壳程传热性能比正常布管时有所提高，但同时也增加了壳程压降降低了综合性能；平行排布的扇叶型折流板换热器具有最好的综合性能；转角的设置导换热器壳程传热系数降低，压降最小；交错排布的扇叶型折流板换热器有最好的传热性能，但其壳程流体流速变化剧烈导致了最大的压降，同时最低了换热器综合性能；随着折流板间距增大，扇叶型折流板换热器传热性能降低，压降减小，综合性能降低；折流板间距200mm和250mm时，中心区域出现低速区，且在相同雷诺数下折流板间距越大中心低速区越大，折流板间距相同时壳程雷诺数越大中心低速区越大。 (3)利用缝接法对扇叶型折流板换热器换热管进行动特性分析，结果显示：缝接法可用于扇叶型折流板换热器换热管基频；扇叶型折流板换热器与弓形折流板换热器的换热管基频差距不大，随着支撑点间距P的减小差距不断减小；当折流栅间距小于0.12m两者换热管基频几乎相等，此时可将扇叶型折流板对换热管的约束简化为简支约束；扇叶型折流板换热器与弓形折流板换热器的换热管基频差距随着换热管长度L的增大而减小，当换热管长度大于7m时，两者换热管基频几乎相等，此时可将扇叶型折流板对换热管的约束简化为简支约束；对扇叶型折流板换热器进行流体诱导振动判定时要以外缘管子基频为依据。

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