扭曲橢圓管換熱器傳熱與壓降性能的研究

高陽(遼河油田公司錦州采油廠 遼寧 錦州 121209)

扭曲橢圓管換熱器是由圓管軋制成的具有一定導程的扭曲橢圓管作為換熱元件，具有折流板換熱器傳熱系數高以及折流桿換熱器壓降低的特點。目前對于換熱器傳熱以及其壓降性能方面的研究較多，本文通過運用數值計算等測試方法最終得到了扭曲橢圓管在管內傳熱同壓降性能間的準則計算關系式，為扭曲橢圓管換熱器的設計和研發提供了依據。

一、扭曲橢圓管換熱器具有的特征

新型扭曲橢圓管換熱器在目前所有工業中體現出了很多優勢，其中主要包括良好的傳熱性以及壓降低等特征。而扭曲橢圓管在該類換熱器中可以通過采取普通光滑和圓管冷軋的方式進行加工而成，換熱管的橫截面成橢圓形，且具有相同的周長。在扭曲橢圓管的換熱器中管程的截面形狀呈橢圓形，并且具備螺旋形的流道，該形式的流道能夠促使換熱器產生很強的旋轉動力進行擾動。換熱器具有的殼程依靠臨近的管長軸來支撐管道，這樣便能節省折流擋板的使用，進而達到在換熱器的內部使各元件排列緊密的效果，降低了換熱器具有的重量，同時還能改善換熱管產生的振動情況。由于在換熱器進行正常運行時殼程流體會受到離心力的作用發生周期性的更改流動方向和流動速度現象，這種運作方式有效增強了流體在縱向的混合程度，進而使傳熱效果有所加強。以往傳統式的管殼換熱器是運用光滑的圓管來作傳熱器件的，在這種類型的換熱管中沒有二次流動的現象，較光滑圓管來說，扭曲橢圓管所具有的流體是呈螺旋狀的流體，增強了流體本身在管內進行橫向混合的程度，具有較高的傳熱性能[1-2]。

綜上可知，扭曲橢圓管換熱器具有以下主要特征：第一，該換熱器的殼程部分運用的是多點自支撐構造。在進行傳熱工作時由于具有自支撐結構，殼程會體現出網格化和一體化特征，在這一特征作用下換熱器會進行周期性的對管壁做有規律的沖擊活動，加強了內部流體在縱向方面的混合程度，提高了殼程具有的換熱成效。第二，該換熱器具有縱向的流體殼程。此結構成功改善了由于殼程流動方向經常發生改變而引起的壓降現象，有效防范了在折流板和殼體的連接處出現結垢以及流動死區現象，加強了換熱器的換熱面積。第三，扭曲橢圓管的管束芯體具有構造緊湊和沒有支撐板的優點。這樣的結構有效提高了殼程具有的抗腐蝕性，解決了腐蝕現象對換熱管產生消耗等問題。第四，換熱器所具有的殼程截面會隨著換熱管橫截面的變化而發生幾何變化，可以通過改變橫截面的形狀來對殼程的流速進行必要的調節，同時，還能使換熱器具有非對稱換熱的功能。

二、扭曲橢圓管傳熱與壓降間的關系研究

許多學者分別對扭曲橢圓管在管內傳熱以及壓降的性能之間做過相關的報道和研究，他們從換熱器的角度展開對扭曲橢圓管所具有的兩者間的數值關系進行分析。國內外學者從扭曲橢圓管管內換熱效果的分析中得到的比較有代表性的傳熱與壓降計算準則關系式，如下所示：

(1)Nu=0.0182Re0.8(Tw/Tf)-0.05exp{1.95(Tw/Tf-1)2}(Dzyubenko)

(2)Nu=0.039Re0.544(S/d)-0.159(S/de)0.161Pr0.33(思勤)

(3)Nu=0.034Re0.784(B/A)-0.590(S/de)-0.165Pr0.333(高學農)

(4)Nu=0.821Re0.374(1-B/A)0.909(S/de)-0.263Pr0.6605(孟繼安)

以數值的計算結果作為基礎擬合而得出換熱器的管內傳熱同壓降性能之間的通用計算關系式分析結論如下：首先，熱換器扭曲橢圓管內具有的傳熱機理有效表明在管的內部是存在二次流的，扭曲橢圓管的換熱器管內只有在換熱管具有的長軸和短軸的比值達到適當的程度時，二次流才能夠形成具有規律性的螺旋流，否則便會形成與換熱管長軸具有的方向相互垂直的上下擾動流。二次流的大小取決于長軸與短軸的比值，比值增大，二次流增大，比值減小，二次流則相應減小。其次，同光滑的橢圓管相比，二次流的形成使換熱管的橫截面具有的速度和溫度有所改變，同時，橫截面所具有的摩擦系數和部分努賽爾數也發生了變化。在換熱管的橫截面同一位置對扭曲橢圓管和具有同樣橫截面的光滑橢圓管進行對比Nu可知：扭曲橢圓管具有的Nu在很多情況下不一定比光滑橢圓管的Nu高，但是，它所具有的平均值要比光滑的橢圓管大很多。最后，扭曲橢圓管會沿著換熱管所具有的軸向方向做連續扭曲動作，使得在換熱管的內部出現二次流現象，同光滑橢圓管相比，二次流會改變換熱管在橫截面上所具有的速度分布和溫度分布，它會使速度場和溫度梯度場兩者間的夾角度數有所降低，進而能夠加強傳熱現象[3]。

結束語

綜上所述，扭曲橢圓管的換熱器體現了其良好的換熱特征，但目前國內外關于換熱器的研究相對來說較少，更多的是對扭曲橢圓管換熱器管程實驗測試以及數值計算方面的探討研究，雖然通過擬合得到了換熱管管內的傳熱與壓降計算準則關系式，發現了換熱管管內存在的螺旋流，可是對于扭曲橢圓管換熱器所具有的其他領域的研究還有待繼續深入分析。

[1]朱冬生,譚祥輝，張立振，曾力丁，成取林.扭曲橢圓管換熱器技術進展及其應用[J].化學工程，2012,10.

[2]譚祥輝.扭曲橢圓管換熱器傳熱與壓降性能的研究[D].華東理工大學，2013

[3]朱冬生，譚祥輝，曾力丁.扭曲橢圓管管內傳熱與壓降性能的研究[J].化學工程，2013,01.