螺旋折流板换热器由于具有传热效率高、流动阻力低、抗振效果好、不易结垢和无流动死区等优点,被认为是最有潜力替代弓形折流板换热器的结构。但实际生产中螺旋折流板的加工需要使用模具。根据不同用户要求设计螺旋折流板换热器时,每设计一个规格的螺旋折流板换热器就需要生产一套模具,导致其生产成本增大,准备时间延长。为解决这个问题,本文提出并研究了一种名为轴向分隔的折流板连接方式用于倾斜角系列化方案。轴向分隔是一种全新的折流板连接方式,用小倾斜角的折流板配合倾斜垫圈(或折耳)及定距套管来固定折流板并形成较大的螺旋导程。一方面,该结构可在充分利用允许压降的基础上形成合适的流通截面,实现折流板倾斜角的系列化,以减少折流板的加工模具和倾斜垫圈的种类,降低生产成本;另一方面,倾斜垫圈可将折流板拉杆孔两侧表面补正为垂直于管束的平面,使螺旋折流板换热器的加工、装配更紧凑更简单。此外,轴向分隔仍保留周向重叠结构,在抑制漏流的同时,还能用一根拉杆同时紧固相邻两组折流板,使拉杆数目减小。有利于促进螺旋折流板热器的结构优化和应用推广。对于大中型螺旋折流板换热器,本文在三分周向重叠螺旋折流板换热器的基础上新提出六分周向重叠螺旋折流板换热器结构。将壳体包含的圆柱体分成六等分,每个螺旋周期由六块扇形折流板组成,同时每块折流板也各向两侧拓宽到管排间隙中,以使相邻螺旋折流板的周向重叠部分包含一排管子。与三分螺旋折流板相比,六分螺旋折流板也适用于更为紧凑的正三角形排列布管方式。由于其半径与弦长相当,最高和最低管排的差值更小,制造难度更低。此外,每个螺旋周期内折流板数目的增多,使得相邻折流板间的三角漏流区显著减小,再配合周向重叠的搭接方式,可有效缓解大中型换热器中漏流严重的问题。首先,本文以壳体内径为125mm、折流板倾斜角为15°～22°的三分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象,建立了普通搭接方式与轴向分隔搭接方式下的物理与数学模型,并借助数值模拟分析及切片可视化处理等手段,重点分析了壳侧换热系数、壳侧压降、壳侧综合指标及壳侧压力场与速度场分布等主要性能特征,揭示了轴向分隔搭接方式对三分周向重叠螺旋折流板换热器壳侧性能的影响。给出了壳侧子午切片、横切片、螺旋切片与同心正六边形切片上的压力或速度云图叠加速度矢量图。发现轴向分隔搭接方式下,相邻折流板间三角漏流区略有增加,削弱了二次流的形成,导致壳侧换热系数降低、壳侧压降升高和壳侧综合指标下降;折流板等效倾斜角与实际倾斜角的差值越大,性能偏差越明显。数值模拟结果表明,若分别取壳侧换热系数和壳侧压降的工程允许误差范围为-3%和+5%,则配合使用轴向分隔搭接方式可使三分螺旋折流板倾斜角系列化的步长由普通搭接方式下的2°拓展为8°,范围明显拓宽,说明轴向分隔搭接方式是实现折流板倾斜角系列化的有效手段。其次,为揭示六分周向重叠螺旋折流板结构强化传热的机理,本文还以壳体内径为150mm、折流板倾斜角为15°～30°的六分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象进行了数值模拟。对比分析了六分螺旋折流板方案、三分螺旋折流板方案与传统弓形折流板方案下换热器的壳侧流动与传热性能;进行了大倾斜角双头螺旋与单头螺旋结构下换热器性能的对比研究;分别从等导程与等倾斜角两个方面进行了模拟与比较。结果表明,六分方案的壳侧综合性能略高于三分方案,且明显优于弓形方案,其与三分方案一样,也具有高效、低阻、抗振、不易结垢等优点。且在本文的研究范围内,寻找出的最佳六分螺旋倾斜角为25°。而双头螺旋结构虽然能使壳侧换热系数提高,但壳侧压降也明显升高,使得在本文研究范围内双头螺旋方案的壳侧综合性能表现略低于单头螺旋方案。对比分析六分方案、同导程三分方案和同倾斜角三分方案发现,六分螺旋方案的相邻折流板间三角漏流区最小,因而性能表现更优。第三,将轴向分隔搭接方式应用于六分结构,以壳径为150mm、折流板倾斜角为15°～26°的普通与轴向分隔六分周向重叠螺旋折流板换热器为研究对象进行模拟与分析,对比研究了两种结构下壳侧流动和换热特性与壳侧流场的异同点。可视化处理结果表明,轴向分隔搭接方式对六分方案壳侧流场的影响与三分方案类似,也会使壳侧性能下降。而数值模拟结果表明,在相同的工程控制偏差下,配合使用轴向分隔搭接方式可使六分螺旋折流板倾斜角系列化的步长由普通搭接方式下的2.5°拓展为12°,说明采用轴向分隔搭接方式六分螺旋折流板的倾斜角系列化步长可以比三分方案的更大。受计算条件限制,本文所研究六分方案尺寸范围仍属于小型换热器,其壳径增大后倾斜角系列化步长情况还需作进一步研究。