高黏介質中內插扭帶對換熱管換熱性能影響

胡斐，陸曉峰，朱曉磊

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高黏介質中內插扭帶對換熱管換熱性能影響

胡斐，陸曉峰，朱曉磊

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京 211816）

某石化公司煉油廠第二套常減壓裝置中換熱器的熱交換介質為高黏度的原油及其附屬產品，在對流換熱過程中傳熱系數低，動能消耗大。針對這一現狀，本文設計了一種換熱管內插間歇半扭帶，利用計算流體力學軟件Fluent對內插間歇半扭帶換熱管在實際工況下的換熱過程進行數值模擬，與光滑管、內插連續扭帶換熱管進行了對比，并給出了間歇半扭帶傳熱元件的優化設計參數。結果表明：內插間歇半扭帶大幅提高了換熱管內流體的努塞爾數，同時也使換熱管內摩擦阻力系數增大；間歇半扭帶換熱管的換熱效率比內插連續扭帶換熱管提高8%～12%；當間歇半扭帶的扭曲率為10、連接桿長度為345mm時，換熱效率最高，達到2.06。研究結果為該常減壓裝置換熱器強化傳熱的研究提供了理論依據。

傳熱；內插扭帶；高黏度；層流；數值模擬

某石化公司第二套常減壓裝置中換熱器共79種類型，總計123臺，換熱介質為高黏度原油及其附屬產品。高黏度流體在對流傳熱過程中傳熱系數低，動能消耗大，由此引起的換熱器換熱效率低，嚴重影響了石化裝置的高效運行。

換熱管內插扭帶是管內強化傳熱方式的一種，扭帶不僅加強了流體的湍動，同時增加了流體在管內的流動距離，因而提高換熱系數。內插扭帶具有結構簡單、拆裝方便、性能穩定等優點，在對現有管殼式換熱器進行改造時具有明顯的優勢。

近年來，國內外學者在強化傳熱技術方面做了大量的工作，方法包括使用橫紋槽管[1]、波紋管[2-3]、波節管[4]、螺旋槽管[5]、翅片管[6]以及管內插入物 等[7-10]。Date等[11-12]最早利用動量和熱傳導微分方程預測內插扭帶換熱管的摩擦、換熱性能。Eiamsa-Ard等[13-14]通過實驗研究了在均勻壁面熱通量條件下扭帶結構形式、分布關系以及結構尺寸對其努塞爾數、摩擦因子的影響。而國內孫東亮等[15]以空氣為介質，通過CFD數值模擬，給出了內插連續扭帶不同結構參數對其努賽爾數、速度環量和阻力系數的影響。謝洪虎等[16]對普通管殼式換熱器殼程的換熱管之間插入連續螺旋扭帶進行了模擬，比較不同螺旋節距下連續型螺扭帶對管殼式換熱器強化傳熱的影響。

上述文獻均針對高速、低黏流體換熱管內插物強化機理及其影響因素進行了研究，本文基于低速、高黏流體的強化傳熱機理，結合該裝置換熱器實際運行工況，研究內插間歇半扭帶對換熱管內高黏度流體傳熱的影響，以期為提高常減壓裝置運行的經濟性提供參考。

1 幾何模型及網格劃分

1.1 計算模型

圖1為兩種內插扭帶結構簡圖，其中：(a)為連續扭帶；(b)為間歇半扭帶，是在連續扭帶的基礎上改進而來，間歇半扭帶葉片扭轉90°，中間用圓桿連接。

節距是扭帶扭轉180°的軸向長度，mm；為扭帶寬度，mm；節距與扭帶寬度之比稱為扭曲比，其大小決定了內插扭帶換熱管內二次流強度，是扭帶重要的幾何參數。換熱器常用換熱管的規格為25mm×1mm，為了裝拆方便，取扭帶寬度為23mm；為了減小阻力，取扭帶厚度為1mm。為了方便焊接，連接桿的直徑大于1.414倍扭帶厚度，本文取2mm。

1.2 網格劃分

在CFD計算中，管程、殼程流體逆向流動，流體在內插扭帶的換熱管內流動，其跡線為螺旋線，導致換熱管內部流場結構復雜，因此本文采用對復雜幾何形狀適應性較好的非結構四面體網格。網格劃分如圖2。

2 性能表征參數

努賽爾數和摩擦阻力系數是換熱管傳熱性能和阻力性能主要的評價參數，其計算公式如式（1）、式（2）所示。

=（1）

式中，為對流換熱系數，W/(m2?K)；為當量直徑，mm；為工作流體的熱導率，W/(m?K)；D為管內壓力降，Pa；為換熱管長度，mm；為工作流體的密度，kg/m3；為工作流體的平均流速，m/s。

內插扭帶這類換熱管強化傳熱元件不僅提高了努塞爾數，同時也使得摩擦阻力系數增加，為了更好地評價內插扭帶對換熱器性能的影響，本文采用換熱效率其表達式如式（3）所示。

式中，、分別為插入扭帶后換熱管的努賽爾數和摩擦因子數；0、0分別為光管的努賽爾數和摩擦因子數。當大于1時，表明強化傳熱元件對換熱管具有強化傳熱的作用。

3 數值模擬

3.1 換熱管及換熱介質定義

經過現場調研，常減壓裝置中換熱管材質及結構參數如表1所示，計算工況及流體物性參數如表2所示。

表1 換熱管尺寸及相關參數

表2 管內外介質相關參數

3.2 邊界條件

（1）進口邊界條件 采用速度進口條件，流動方向垂直于換熱管進口截面。

（2）出口邊界條件 采用自由出流邊界條件，即假定流場在計算域出口已充分發展，出口邊界無回流。

（3）壁面條件 扭帶表面，連接桿表面，進、出水管路與流體相接觸的所有界面均采用無滑移壁面邊界條件。

3.3 計算方法

采用隱式分離式求解器（implicit segregated solver）；壓力速度耦合方式選用標準SIMPLE算法；連續性方程、動量方程、能量方程均采用二階迎風格式離散計算；欠松弛因子取默認值，即壓力項0.3，動量項0.7，湍流黏性系數項1，湍動能項和湍流耗散率項0.8。

3.4 網格獨立性及模型驗證

為了檢查數值計算的準確性，選取雷諾數=33、間歇半扭帶扭曲率=10、連接桿長度=57.5mm時，分別對網格數量為200萬、300萬、400萬、500萬進行獨立性驗證。計算得到每種網格下換熱管的努塞爾數和摩擦阻力系數，結果如表3所示。可以看出，相鄰網格努塞爾數的最大偏差不超過0.226%。考慮到計算準確性和花費時間，最后選取網格數量為400萬。本文利用的算法是根據文獻[17]中所使用的方法，因此計算結果具有可靠性。

表3 不同網格數量下努塞爾數Nu和摩擦阻力系數f的 變化

4 計算結果與分析

4.1 扭帶結構形式對換熱管性能的影響

圖3和圖4為雷諾數分別為33、66、132、198、264時，光滑換熱管、內插連續扭帶換熱管與內插間歇半扭帶換熱管的努賽爾數和摩擦阻力系數。兩種結構的扭曲率都為10。

從圖3中可以看出，光滑換熱管、內插連續扭帶換熱管和內插間歇半扭帶換熱管的努塞爾數均隨著雷諾數的增大而增大，光滑換熱管努塞爾數變化較明顯，兩種內插扭帶換熱管努塞爾數變化較平緩。對于光滑換熱管，隨著雷諾數的增加，其湍動程度增加，導致努塞爾數變化較為明顯。在雷諾數變化范圍內，插入連續扭帶換熱管和插入間歇半扭帶換熱管的努塞爾數相差2%左右，并且都為光滑管的1.2～2.5倍。由于換熱管插入扭帶后，扭帶對流體流動起主導作用，流動由層流變為湍流，增加了管內流體的湍動，因此努塞爾數隨雷諾數變化不大。而插入兩種結構形式扭帶的換熱管努塞爾數差別不大是由于兩種扭帶結構對管內流體擾動程度基本相同。

從圖4可以看出，摩擦阻力系數隨雷諾數的增大而減小。在相同雷諾數下，插入連續扭帶換熱管的摩擦阻力系數是光滑換熱管的2.52～3.53倍；插入間歇半扭帶換熱管的摩擦阻力系數是光滑換熱管的1.88～2.71倍。說明扭帶內插物增加了換熱管的摩擦阻力，且間歇半扭帶對換熱管產生的摩擦阻力小于連續扭帶。這是因為內插扭帶不但增加了管內流體的湍動，同時增加了流體在管內的流動距離。相同扭曲率下，連續扭帶使流體產生連續的徑向速度，在管道壁面的作用下產生滯止壓力，而間歇半扭帶無法使流體產生連續的徑向速度，因此，間歇半扭帶的摩擦阻力小于連續扭帶。

圖5為連續扭帶換熱管和間歇半扭帶換熱管的換熱效率隨雷諾數的變化規律。光滑管的換熱效率為1。從圖5可以看出，在雷諾數范圍內，間歇半扭帶換熱管的換熱效率比連續扭帶換熱管的換熱效率提高8%～12%。這是因為兩種結構形式的扭帶內插物對努塞爾數的影響不大，但是間歇半扭帶換熱管的摩擦阻力系數小于連續扭帶換熱管，所以間歇半扭帶的換熱效率大于連續扭帶。

4.2 間歇半扭帶結構參數對換熱管性能的影響

4.2.1 扭曲率y的影響

圖6和圖7表示間歇半扭帶在雷諾數分別為33、66、132、198、264以及連接桿長度=57.5mm時，扭曲率（=6、8、10、12、14）的變化對努塞爾數和摩擦阻力系數的影響。

從圖6可以看出，隨著扭曲率的減小，努塞爾數逐漸減大。因為扭曲率減小，扭帶扭曲程度增加，使得換熱管內介質擾動程度增大，從而提高了努塞爾數。

從圖7中可以看出，當流速較小時，即雷諾數為33和66時，隨著扭曲率的增加，摩擦阻力系數先減小后增大；當扭曲率=10時，摩擦阻力系數最小。

因為扭曲率=10時，扭帶的扭曲程度使流體產生擾動，二次流剛好與流體流速和黏度相適應，使摩擦阻力系數達到最低值。當流速較大時，即雷諾數為132、198和264時，摩擦阻力隨著扭曲率變化不大。這是因為間歇半扭帶產生的徑向流速是不連續的，當流體的速度較大時，這種不連續的徑向速度受到主體流速的抑制作用較大，因此，其摩擦阻力隨著扭曲率增加變化不大。

圖8為間歇扭帶扭曲率變化對換熱效率的影響。從圖8可以看出，在相同雷諾數下，隨著間歇半扭帶扭曲率的增大，換熱效率先增大后減小。間歇半扭帶的扭曲率=10時，換熱效率最高。因為當扭帶扭曲率=10時，間歇半扭帶既有效地增加了流體的擾動，使努塞爾數提高，又最低限度地增加了摩擦阻力，使換熱效率達到最高。

4.2.2 連接桿長度s的影響

圖9和圖10為間歇半扭帶在雷諾數分別為33、66、132、198、264以及扭曲率=10時，不同連接桿長度（=57.5mm、115mm、230mm、345mm、460mm）對努塞爾數和摩擦阻力系數的影響。

從圖9可以看出，在不同雷諾數下，隨著連桿長度的增加，努塞爾數變化不大。這是因為連桿的作用是連接兩個半扭帶，使其成為一個整體，方便裝拆；且連桿的直徑較小，對流體的阻礙作用也較小，因此，連桿的長度對努塞爾數的影響較小。從圖10可以看出，隨著連接桿長度的增加，摩擦阻力系數先減小后增大，當連接桿長度增加到345mm時，摩擦阻力系數達到最小值。這是因為流體流過扭帶時，產生徑向的流動，導致流體的湍動增加，使得換熱管的努塞爾數增加；如果徑向流動是連續的，則其摩擦阻力是徑向流速的平方，且隨著流速的增加而增大；如果徑向流速是不連續的，徑向流速受到主流體的抑制，隨著流速的增加，徑向流速受到主體流速的抑制作用增加，導致摩擦阻力逐漸減小。當連桿的長度為345mm時，主流體對徑向流速的抑制作用和由流體引起的湍動作用達到一種平衡，導致其摩擦阻力 最小。

圖11為間歇半扭帶連接桿長度對換熱效率的影響。從圖11中可以看出，在相同雷諾數下，隨著間歇半扭帶連接桿長度的增大，換熱效率先增大后減小。當連接桿長度=345mm時，換熱效率最高。因為間歇半扭帶連接桿長度=345mm時，既有效地增加了流體的湍動，使努塞爾數提高，又最低限度地增加了摩擦阻力，所以換熱效率達到最高。

當雷諾數分別為33、66、132、198、264時，內插間歇半扭帶（扭曲率=10，連接桿長度=345）換熱管的換熱量分別是光滑管的2.4倍、1.89倍、1.50倍、1.32倍、1.22倍，且當雷諾數為33、66、132、198時，換熱管內插間歇半扭帶的換熱效率都大于1。因此當該公司換熱設備中換熱介質雷諾數小于等于198時，選擇間歇半扭帶內插物對原有設備進行改造，既可以使換熱量得到提高，也使換熱效率大于1，達到強化傳熱的效果。

5 結 論

本文應用計算流體力學軟件Fluent，通過對內插扭帶換熱管進行模擬分析，研究了扭帶內插物結構形式、結構參數對換熱管換熱性能的影響，得到如下結論。

（1）針對低速、高黏度換熱管，內插間歇半扭帶換熱管比內插連續扭帶換熱管的換熱效率高。

（2）針對間歇半扭帶，隨著扭曲率的增加，換熱效率先增大后減小；隨著連接桿長度的增加，換熱效率先增大后減小。經過對比發現，當扭曲率為10、連接桿長度為345mm時，間歇半扭帶對低速、高黏度流體具有較好的強化傳熱效果。

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Influences of an inserted twisted tape on the heat transfer performances of a tube with high viscous medium

HU Fei，LU Xiaofeng，ZHU Xiaolei

（College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech. University，Nanjing 211816，Jiangsu，China）

The high viscosity of the heat transfer medium in the crude oil distillation unit in oil refinery process will normally lead to low heat transfer efficiency and high kinetic energy consumption. To solve the problem，this research designed a segmented semi-twisted tape to conduct numerical simulation of the heat transfer process of the tube with a segmented semi-twisted tape under actual conditions，using FLUENT. The heat transfer parameters in plain tube and tube with a continuous twisted tape were compared. The simulation provided optimum design parameters of the segmented semi-twisted tape. The results showed that the segmented semi-twisted tape improved(Nusselt number) of the fluid in a heat transfer tube as well as(friction factor)，and(heat transfer efficiency) of the tube with a segmented semi-twisted tape was increased by 8%—12% compared the tube with a continuous twisted tape. The value ofreached the highest number of 2.06 when(twist ratio of the segmented semi-twisted tape)was 10 and(length of the connection rod) was 345mm. The results provided a theoretical basis for the study of enhanced heat transfer of a heat exchanger in a crude oil unit.

heat transfer；inserted tape；high viscosity；laminar flow；numerical simulation

TK124

A

1000–6613（2015）09–3232–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.004

2015-02-05；修改稿日期：2015-03-16。

胡斐（1989—），男，碩士研究生，研究方向為新型高效傳熱傳質設備。E-mail 1015271990@qq.com。聯系人：陸曉峰，教授，研究方向為強化傳熱機理及技術與流體機械的結構與強度。E-mail xflu@njtech.edu.cn。