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    螺旋折流板換熱器是20世紀(jì)90年代由ABB集團(tuán)開(kāi)發(fā)出的系列產(chǎn)品，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。螺旋折流板換熱器殼程具有強(qiáng)化傳熱和壓力降低的特點(diǎn)，尤其適合高黏度、易結(jié)垢、傳熱和壓力降受殼程控制的體系，因此在煉油、石油化工、化學(xué)工業(yè)、能源、食品加工和制藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，可用于螺旋折流板換熱器工藝計(jì)算的商業(yè)軟件很少，其中HTRI軟件中雖包含螺旋折流板換熱器的計(jì)算程序，但其計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，這就增加了此類換熱器設(shè)計(jì)和校核工作的難度。為了解決螺旋折流板換熱器的工藝計(jì)算問(wèn)題，充分利用HTRI軟件中強(qiáng)大的物性分析、振動(dòng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能，開(kāi)發(fā)了HelixTool程序用于螺旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)和壓力降的計(jì)算，輔助HTRI軟件進(jìn)行該類換熱器的設(shè)計(jì)和核算，其計(jì)算結(jié)果與Lummus(ABB集團(tuán)魯姆斯傳熱公司)設(shè)計(jì)值吻合良好。

    1結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)螺旋折流板換熱器是通過(guò)布置折流板與管束形成一定夾角，引導(dǎo)殼側(cè)流體呈連續(xù)螺旋狀流動(dòng)。該換熱器可分為連續(xù)型和搭接型。由于連續(xù)型的螺旋曲面加工困難，而且很難實(shí)現(xiàn)換熱管與折流板的配合，因此采用一系列的扇形平面板相互連接，形成搭接型。目前，4塊折流板相互搭接形成1個(gè)螺距的設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛(見(jiàn)圖1)。

    在殼程進(jìn)口處，為保證介質(zhì)流速均勻，螺旋折流板換熱器管束一般采用防沖桿結(jié)構(gòu)，防沖桿直徑為+16mm的鋼棒，分2層布置(見(jiàn)圖2)。

    殼程進(jìn)、出口軸線上方或下方應(yīng)布置折流板，有利于流體盡快呈螺旋狀流動(dòng)。每塊折流板應(yīng)至少布置3根拉桿，以保證折流板的穩(wěn)定。同時(shí)，拉桿直徑和數(shù)量應(yīng)滿足GB151—1999《管殼式換熱器》的相關(guān)規(guī)定。單弓形折流板換熱器中，殼程流體以z字形流動(dòng)，流體流經(jīng)每一塊折流板后都會(huì)產(chǎn)生返混，且滯留區(qū)內(nèi)流體返混情況更加嚴(yán)重，從而影響了傳熱效果。而在螺旋折流板換熱器中，殼程流體以螺旋狀流過(guò)，其流動(dòng)只有少量返混，死區(qū)幾乎沒(méi)有，更接近柱塞流，同時(shí)由于受到離心力作用，流體流過(guò)換熱管后形成脫離管壁的尾流，使邊界層得到充分分離，因此其換熱效果較好。螺旋折流板與弓形折流板相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    ①?gòu)?qiáng)化殼程傳熱；

    ②降低殼程壓力降和結(jié)垢；

    ③提高處理能力；

    ④延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或設(shè)備壽命；

    ⑤降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)和維修成本。2計(jì)算方法有關(guān)螺旋折流板換熱器計(jì)算方法目前應(yīng)用最廣泛的是Stehlik在Bel1．Delaware方法的基礎(chǔ)上提出的經(jīng)驗(yàn)算法，其中殼程傳熱系數(shù)采用努塞爾特方程見(jiàn)式(1)，殼程壓力降方程見(jiàn)式(2)。

    利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)殼側(cè)流體在螺旋折流板間的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，建立許多新的壓力降計(jì)算模型。M．R．JafariNasr等根據(jù)CFD軟件的模擬結(jié)果，建立了與傳熱系數(shù)相關(guān)的壓力降模型。HTRI軟件公司發(fā)現(xiàn)Stehlik壓力降模型中的湍流強(qiáng)化校正系數(shù)在雷諾數(shù)100～5000沒(méi)有很好的定義，因此也進(jìn)行了CFD的模擬計(jì)算，并在Stehlik壓力降模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)而提出了新的壓力降模型，但其適用范圍僅限于螺旋角在l0。-45.HTRI6．0軟件及以上版本采用了該模型的計(jì)算方法，但計(jì)算結(jié)果與Lummus設(shè)計(jì)值偏差較大。為了得到更為準(zhǔn)確的螺旋折流板換熱器工藝計(jì)算結(jié)果，開(kāi)發(fā)了HelixTool計(jì)算程序。該程序依然采用Stehlik提出的經(jīng)驗(yàn)算法，但對(duì)湍流強(qiáng)化校正系數(shù)進(jìn)行了修正，修正后計(jì)算結(jié)果得到明顯改善。HelixTool程序以HTRI軟件為基礎(chǔ)，從中導(dǎo)人定性溫度下的密度、熱熔及動(dòng)力黏度等參數(shù)，并在輸入殼程主要設(shè)計(jì)參數(shù)后快速計(jì)算出傳熱系數(shù)、壓力降和搭接位置。之后，再將得到的傳熱系數(shù)和壓力降輸入到HTRI軟件中，進(jìn)而對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    3工藝計(jì)算結(jié)果對(duì)比由于螺旋折流板換熱器殼程傳熱系數(shù)的設(shè)計(jì)值很難得到，而HTRI軟件計(jì)算管程傳熱系數(shù)是準(zhǔn)確的，所以可以通過(guò)比較換熱器的設(shè)計(jì)余量間接評(píng)價(jià)HelixTool程序計(jì)算殼程傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。在工藝條件和換熱器型號(hào)均相同的情況下，分別采用HTRI6．0軟件和HelixTool輔助HTRI6．0軟件對(duì)大量的螺旋折流板換熱器進(jìn)行了核算。

    表1為采用HelixTool程序計(jì)算換熱器E1的結(jié)果，其殼側(cè)物性從HTRI6．0軟件中導(dǎo)入。輸入殼側(cè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)后即可得到傳熱系數(shù)、壓力降和搭接位置等參數(shù)。之后，將傳熱系數(shù)、壓力降、螺旋角、折流板間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入到HTRI6．0軟件中進(jìn)行計(jì)算，從而得到換熱器的設(shè)計(jì)余量。換熱器E1的設(shè)計(jì)余量為6．5％。3種工藝計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

    從表2可以看出，當(dāng)HTRI軟件的設(shè)計(jì)余量還是負(fù)值時(shí)，螺旋折流板換熱器的設(shè)計(jì)值已為正值，且部分換熱器的Lummus設(shè)計(jì)余量還很大；HTRI軟件計(jì)算出來(lái)的殼程壓力降比Lummus設(shè)計(jì)值小很多，有的甚至只有1／3左右。如果采用HTRI軟件的結(jié)果進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)，必然造成換熱器的選型偏大，而較小的壓力降可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中其他設(shè)備的選型不準(zhǔn)確，例如可能會(huì)使泵揚(yáng)程的計(jì)算值偏小等。采用HelixTool輔助HTRI軟件計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與Lummus設(shè)計(jì)值非常接近且偏保守。因此，可以使用該方法設(shè)計(jì)和校核螺旋折流板換熱器，其計(jì)算結(jié)果可靠，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

    4結(jié)語(yǔ)HelixTool輔助HTRI軟件計(jì)算螺旋折流板換熱器的方法適合殼程物理性質(zhì)隨溫度變化不大的單相流體。經(jīng)與Lummus設(shè)計(jì)值對(duì)比，其計(jì)算結(jié)果吻合良好，因此可采用該方法對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核。同時(shí)，還可利用HTRI軟件自身優(yōu)點(diǎn)對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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