螺旋折流板換熱器在高溫高壓環境中的應用研究

王 密，周予東，潘曉棟，范 飛，牛曉娟

（1. 蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050； 2. 青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266500）

螺旋折流板換熱器在高溫高壓環境中的應用研究

王 密1，周予東2，潘曉棟2，范 飛1，牛曉娟2

（1. 蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050； 2. 青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266500）

利用HTRI軟件模擬了四分扇形螺旋折流板換熱器在高溫高壓環境中的應用?？疾炝藲こ塘髁浚℅）、折流板間距、螺旋角和殼體長徑比（L/D）對螺旋折流板換熱器綜合傳熱性能（Up）的影響，并與單弓形折流板換熱器進行了對比。結果表明：折流板間距越大，螺旋角越小，Up越高；螺旋折流板的傳熱性能明顯優于相同工況下的單弓形折流板，且G和L/D越大，這種優勢越明顯。

螺旋折流板換熱器；折流板間距；螺旋角；長徑比

目前，管殼式換熱器占據了35%～40%的換熱器市場。因其操作簡單、結構穩定、密封性強、便于清洗、易放大，管殼式換熱器被廣泛應用于煉油、化工、環保、發電等工業領域。折流板是管殼式換熱器殼程的重要部件，不僅對換熱管束起到支撐作用，而且可以控制殼側流體的流通通道。傳統的弓形折流板會使殼程流體產生“z”字形流動，存在流動死區大、流動阻力強、易積垢等不足［1］。為了克服上述缺點，科學家們致力于折流板的結構優化設計，以降低換熱器的殼程壓降，減少管束振動，獲得更高的傳熱效率［2］。螺旋折流板是上世紀九十年代開發的一種新型結構［3］。與弓形折流板相比，螺旋折流板有利于殼程流體形成柱塞流，能夠避免橫向折流產生的嚴重壓力損失，減少污垢沉積，削弱管束振動，提高傳熱效率，尤其適用于高粘度流體［4-7］。

根據連接方式的不同，螺旋折流板可以分為連續型和非連續型兩大類。與連續型螺旋折流板相比，非連續型螺旋折流板的制造成本低、安裝相對簡單，其中又以適合于正方形排列和輻射狀排列布管的四分扇形搭接方案最為常見［8，9］。對非連續型螺旋折流板的研究主要集中在以下幾個方面：螺旋角對殼程性能的影響、殼程螺旋流動機理的研究、殼程結構的改善［10，12］。若采用實驗方法研究結構參數對螺旋折流板換熱器傳熱性能的影響，則需要制造大量的換熱器模型，造成人力、物力的嚴重浪費。因此，很多學者利用計算流體動力學（CFD）對螺旋折流板換熱器進行數值模擬［13，14］。但CFD模擬需要進行網格劃分、求解離散方程，計算周期較長，而適用于螺旋折流板換熱器工藝計算的商業軟件非常少。其中，HTRI廣泛收集了工業級熱傳遞設備的實驗數據，是一種比較智能的換熱器模擬軟件。它包含了螺旋折流板換熱器的計算程序，能夠精確地進行傳熱性能的預測［15-16］。

現有文獻多是在中低壓條件下模擬螺旋折流板直管式換熱器的傳熱性能，而螺旋折流板換熱器更適用于高溫高壓，流速較大的工況［7，15］。U形管式換熱器因結構簡單，管子可以自由伸縮，能夠發揮一定的溫度補償作用，在高溫高壓環境中較直管式換熱器具有明顯優勢。本文利用HTRI軟件對螺旋折流板U形管式換熱器在煉油行業高溫高壓環境中的運行情況進行了模擬，并與相同結構條件下的弓形折流板換熱器進行了壓降和傳熱性能對比。

1 物理模型

以重油-裂化產物換熱體系作為研究對象，利用HTRI軟件模擬了螺旋折流板式DEU型換熱器在高溫高壓環境中的應用。該換熱器采用單殼程、雙管程、四分扇形非連續螺旋折流板結構。換熱管外徑為19 mm，管間距為25 mm，以45°轉角正方形布管。同時，為保證殼程介質均勻流動，防止管束振動失穩，特在殼程入口處加設兩層防沖桿。換熱器的物理模型如圖1所示。

換熱器的殼程介質為重油，進出口溫度分別為270、309 ℃，進口壓力為21.6 MPa；管程介質為裂化產物，進出口溫度分別為 420、368 ℃，進口壓力為20.3 MPa。重油和裂化產物的部分物性參數見表1。

圖1 螺旋折流板換熱器的物理模型Fig.1 Physical model of helical baffled heat exchangers

表1 介質的部分物性參數Table 1 Some properties of fluids

2 結果與討論

2.1 折流板間距對傳熱性能的影響

連續螺旋折流板的螺距B = πDtanβ，其中D為殼體內徑，β為螺旋角［17］。而考慮到工程實際制造與應用，HTRI軟件中規定，四分扇形非連續螺旋折流板的中心間距應為連續螺旋折流板螺距的40%～60%。參照 GB151-2014《熱交換器》，確定螺旋折流板換熱器的基本結構參數：殼體內徑為700 mm；換熱管長度為4 m，數量為450；螺旋角為15°，折流板間距為250、300、350 mm。不同流量條件下，折流板間距對螺旋折流板換熱器傳熱性能的影響如圖2所示。

由圖2可知：當螺旋角為15°時，相同重油流量（G）條件下，隨著折流板間距的增加，殼程壓降（dP）明顯降低，而換熱器的總傳熱系數（U）幾乎不變，從而導致單位壓降下的總傳熱系數（Up）逐漸上升。這說明：殼程流量相同時，相同螺旋角條件下，折流板間距對dP的影響明顯大于對U的影響。

圖2 折流板間距對螺旋折流板換熱器性能的影響Fig.2 Influence of central spacing on the performance of helical baffled heat exchangers： （a） dP， （b） U， （c） Up

對于G為20～70 kg·s-1的換熱體系，折流板間距為350 mm的換熱器較折流板間距為250 mm的換熱器dP降低了46.7%～47.4%，Up增加了87.9%～90.4%。殼程壓降的降低要歸因于折流板數量的減少。但這會導致換熱管無支撐跨距增大，管束振動增加，易引發換熱管斷裂失效，應綜合考慮傳熱性能和使用壽命兩方面的因素。

另一方面，相同螺旋折流板結構下，dP和 U均隨著重油流量的增加而增大，但Up隨著重油流量的增加逐漸降低。當螺旋折流板間距為 250～350 mm時，G為70 kg·s-1的換熱器較G為20 kg·s-1的換熱器dP增加了6～7倍，U增加了2倍左右，Up降低了74%～75%。這說明：相同螺旋折流板結構下，G對dP的影響也明顯大于對U的影響。

2.2 螺旋角對傳熱性能的影響

根據HTRI軟件和GB151-2014《熱交換器》中的相關規定，確定螺旋折流板換熱器的基本結構參數如下：殼體內徑為700 mm；換熱管長度為4 m，數量為450；螺旋角為13o、15o、17o、19o，折流板間距為300 mm。

圖3給出了不同G條件下，螺旋角對螺旋折流板換熱器傳熱性能的影響。結果顯示：當G相同時，隨著螺旋角的增大，dP逐漸增大，而U逐漸降低，導致Up不斷減小。當折流板間距相同時，隨著螺旋角的增大，相鄰兩塊折流板間的漏流區面積就會減少，使壓降上升。而隨著螺旋角的增大，殼程流體的軸向速度分量會增大，切向速度分量會減小，從而導致U逐漸降低［18］。

當G為20～70 kg·s-1時，螺旋角為19o的換熱器較螺旋角為 13o的換熱器 dP上升了 5.57%～12.9%，U下降了15.3%～16.4%。這說明：G相等的條件下，當折流板間距相同時，螺旋角對 dP影響小于對U的影響。另一方面，當螺旋角為13o～19o時，隨著G由20 kg·s-1增大到70 kg·s-1，dP上升了6.81～7.46倍，U僅增加了1倍左右。這再次說明了相同折流板結構下，G對dP的影響明顯大于對U的影響。

圖3 螺旋角對螺旋折流板換熱器傳熱性能的影響Fig.3 Influence of helix angle on the performance of helical baffled heat exchangers： （a） dP， （b） U， （c） Up

2.3 長徑比對傳熱性能的影響

表2 螺旋折流板換熱器的基本結構參數Table 2 Geometric parameters of helical baffled heat exchangers

由2.1和2.2的分析結果可知：其他結構參數都相同的條件下，折流板間距越大，螺旋角越小，螺旋折流板換熱器的Up越大。根據 HTRI軟件、GB151-2014《熱交換器》和JB/T4717-1992《U形管式換熱器型式與基本參數》的相關規定，確定螺旋折流板換熱器的基本結構參數如表2所示。

圖4給出了長徑比（L/D）對螺旋折流板換熱器單位壓降下的傳熱性能（Up）的影響，并與相同折流板間距條件下單弓形折流板換熱器單位壓降下的傳熱性能（Hp）進行了對比。其中，R = Up/ Hp，單弓形折流板換熱器的折流板切口高度為20%，二者的折流板間距均為200 mm。

圖4 長徑比對螺旋折流板換熱器傳熱性能的影響Fig.4 Influence of L/D on the performance of helical baffled heat exchangers： （a） Up， （b） Hp， （c） R

由圖4（a-b）可知，相同G條件下，Up和Hp均隨著L/D的增大而逐漸降低。當L/D為4時，隨著G從20 kg·s-1上升到70 kg·s-1，Up下降了77.4%，Hp下降了80.7%。L/D的增大使得Up的下降趨勢略有放緩，而Hp的下降趨勢幾乎未變。當L/D為10時，隨著 G從 20 kg·s-1上升到 70 kg·s-1，Up下降了74.3%，Hp下降了 80.1%。這說明：與單弓形折流板相比，螺旋折流板更適用于L/D較大的工況。

當G為20 kg·s-1時，隨著L/D從4增大到10，Up下降了58.2%，Hp下降了66%。G的增大使得Up的下降趨勢略有放緩，而Hp的下降趨勢略顯放大。當G為70 kg·s-1時，隨著L/D從4增大到10，Up下降了52.4%，Hp下降了67.5%。這說明：與單弓形折流板相比，螺旋折流板更適用于G較大的工況。

由圖4（c）可知，相同G和L/D條件下，R恒大于1.5，說明螺旋折流板換熱器的綜合傳熱性能明顯優于單弓形折流板換熱器。一方面，相同的幾何結構條件下，R隨著G的增大而明顯上升。當L/D為4時，隨著G從20 kg·s-1增加到70 kg·s-1，R上升了16.8%。L/D的增大使得這種上升趨勢逐漸加強，在L/D為10時，達到了37.8%。這說明：隨著L/D的增大，螺旋折流板較單弓形折流板的優勢益發明顯。

另一方面，R隨著L/D的增大而逐漸上升。當G為20 kg·s-1時，隨著L/D從4增大到10，R上升了22.5%。且G的增大使得這種上升趨勢逐漸加強，在G為70 kg·s-1時達到44.9%。這說明：隨著G的增大，螺旋折流板較單弓形折流板的優勢益發明顯。當L/D = 10，G = 70 kg·s-1時，R高達2.6。

綜上所述，對于高溫高壓的換熱體系，螺旋折流板換熱器的綜合傳熱性能明顯優于相同結構參數條件下的單弓形折流板換熱器，且G和L/D越大的工況，這種優勢越明顯。

3 結 論

（1）當螺旋折流板換熱器應用于高溫高壓的換熱體系時：相同螺旋角條件下，折流板間距越大，Up越高；相同折流板間距條件下，螺旋角越小，Up越高；

（2）其他操作條件都相同的情況下，折流板間距和G對螺旋折流板換熱器dP的影響明顯大于對U的影響，而螺旋角對dP的影響小于對U的影響；

（3）對于高溫高壓的換熱體系，螺旋折流板換熱器的綜合傳熱性能明顯優于相同結構參數條件下的單弓形折流板換熱器，且G和L/D越大的工況，這種優勢越明顯。

［1］KUMAR V， KUMAR P， NAIN S. Heat transfer enhancement in helix exchanger using grooved tubes at different baffle angles ［J］. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering， 2014， 4（8）: 477-484.

［2］VISHWAKARMA M， JAIN K K. Thermal analysis of helical baffle in heat exchanger ［J］. International Journal of Science and Research， 2013，2（7）: 251-254.

［3］KRAL D， NEMCANSKY J. The helix changer-helically baffled heat exchanger ［J］. ICHMT International Symposium on New Developments in Heat Exchanger， Portugal， 1993:467-477.

［4］ZHANG J F， HE Y L， TAO W Q. 3D Numerical simulation on shelland-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 ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009， 52: 5371-5380.

［5］陳世醒，張克錚，張強. 螺旋折流板換熱器的開發與研究（I）——高粘度流體下的中試研究［J］. 撫順石油學院學報，1998，18（3）：31-35.

［6］PLOEG V D， MASTER B I. A new shell-and-tube option for refineries［J］. Petroleum Technology Quarterly， 1997， 2（3）: 91-95.

［7］GOWTHAMAN P S， SATHISH S. Analysis of segmental and helical baffle in shell and tube heat exchanger ［J］. International Journal of Current Engineering and Technology， 2014， special issue-2: 625-628.

［8］SHINDE P S， PANCHA M H. Comparative thermal performance of shell and tube heat exchanger with continuous helical baffle using ［J］. International Journal of Engineering Research and Applications， 2012，2（4）: 2264-2271.

［9］ZHANG J F， HE Y L， TAO W Q. 3D Numerical simulation on shelland-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 ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009， 52:5381-5389.

［10］DONG C， CHEN Y P， WU J F. Performance comparison of trisection helical baffle heat exchangers with different circumferential overlap sizes ［J］. Chemical Engineering Technology， 2015， 38: 1-9.

［11］MOVASSAG S Z， TAHER F N， RAZMI K， et al. Tube bundle replacement for segmental and helical shell and tube heat exchangers: Performance comparison and fouling investigation on the shell side［J］. Applied Thermal Engineering， 2013， 51 （1-2）: 1162-1169.

［12］DU W， WANG H， CHENG L. Effects of shape and quantity of helical baffle on the shell-side heat transfer and flow performance of heat exchangers ［J］. Chinese Journal of Chemical Engineering， 2014， 22（3）: 243-251.

［13］KOTWAL H， PATEL D S. CFD analysis of shell and tube heat exchanger-a review ［J］. International Journal of Engineering Science and Innovative Technology， 2013， 2（2）: 325-329.

［14］SHINDE S S， HADGEKAR P V. Numerical comparison on Shell side performance of Helixchanger with center tube with different helix angles ［J］. International Journal of Scientific and Research Publications， 2013， 3（8）: 1-7.

［15］林玉娟，劉丹，楊曉波，等. 基于HTRI的螺旋折流板換熱器最佳螺旋角研究［J］. 科學技術與工程，2012，12（5）：1181-1184.

［16］劉朋標，朱為明. 螺旋折流板換熱器工藝計算優化［J］. 煉油技術與工程，2014，44（5）：7-10.

［17］李斌，陶文銓，何雅玲. 螺旋折流板換熱器螺距計算的通用公式［J］. 化工學報，2007，58（3）：588-590.

［18］曹興，杜文靜，程林. 連續螺旋折流板換熱器流動與傳熱性能及熵產分析［J］. 化工學報，2012，63（8）：2375-2382.

Application of Helical Baffled Heat Exchangers
in the High Temperature and High Pressure Condition

WANG Mi1，ZHOU Yu-dong2，PAN Xiao-dong2，FAN Fei1，NIU Xiao-juan2
（1. Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute Co.， Ltd.， Gansu Lanzhou 730050，China；2. Qingdao LS Heavy Machinery Equipment Co.， Ltd.， Shandong Qingdao 266500，China）

Application of quadrant-sector helical baffled heat exchangers in the high temperature and high pressure condition was simulated by using HTRI software. The influence of mass flowrate （G）， baffle spacing， helix angle and length-to-diameter ratio （L/D） on the performance （Up） of helical baffled heat exchangers were studied and compared with single-segmental baffled heat exchangers. The results show that， the larger the baffle spacing or the smaller the helix angle， the higher the Up. The helical baffled heat exchangers always display better performance than the single-segmental baffled heat exchangers under the same operating conditions. And the superiority becomes more significant with increasing of G or L/D.

Helical baffled heat exchanger； Baffle spacing； Helix angle； Length-to-diameter ratio

TQ 052

A

1671-0460（2015）12-2898-05

2015-07-09

王密（1987-），女，山東省青島市人，工程師，博士，2014年畢業于華東理工大學化學工藝專業，研究方向：從事化學工藝技術開發及應用研究。E-mail：shuishicanmeng@126.com。