非軸對稱截面換熱管在管殼式換熱器中的傳熱性能研究①

劉杉杉

摘 ? 要：非軸對稱截面換熱管是一種新型高效強(qiáng)化傳熱管型，非軸對稱截面換熱管是在軸對稱截面換熱管（螺紋管、波紋管、波節(jié)管）的基礎(chǔ)上研制的一種新型強(qiáng)化換熱管。除強(qiáng)化傳熱外非軸對稱截面換熱管還可以顯著防止結(jié)垢的形成，管束熱脹冷縮變形補(bǔ)償能力強(qiáng)，殼程容積大節(jié)省空間，并且對于誘導(dǎo)振動具有一定的牽制作用，目前廣泛應(yīng)用于石油化工、生物制藥、產(chǎn)熱供熱等行業(yè)，并且具有較好的應(yīng)用前景。本文以非軸對稱截面換熱管在管殼式換熱器中的傳熱性能為研究對象，主要與傳統(tǒng)型管式換熱器做對比開展以下研究。

關(guān)鍵詞：非軸對稱截面 ?換熱管 ?強(qiáng)化傳熱 ?換熱器

中圖分類號：TK172 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0010-02

我國目前的石化行業(yè)處于比較緊張的局勢，熱交換設(shè)備支出占到國內(nèi)總投資的30%以上，其中普通對稱截面換熱管和弓形折流板形式的管殼式換熱器就占了80%。但是，目前大多數(shù)換熱器仍存在很多弊端，例如殼程壓降大、傳熱效果差，加上運(yùn)作時(shí)結(jié)垢和管束誘導(dǎo)振動的約束，此類換熱器違背了可持續(xù)節(jié)能減排的發(fā)展以及高效利用能源的綠色發(fā)展核心。目前應(yīng)用較為廣泛的強(qiáng)化傳熱技術(shù)包括改變傳熱面的形狀（螺紋管、波紋管、波節(jié)管）。非軸對稱截面換熱管換熱器目前并未廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)生產(chǎn)，但早期已有大量的模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究如何增強(qiáng)此類換熱器的傳熱性能和流阻特性，研究時(shí)期不長和基礎(chǔ)實(shí)力的缺乏很大程度上對于非軸對稱截面換熱管換熱器廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)有一定的阻礙作用。另一方面，工業(yè)設(shè)計(jì)并未普及到非軸對稱截面換熱管換熱器，所以并沒有統(tǒng)一獨(dú)立的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛應(yīng)用的是普通管殼式換熱器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T151-2014《管殼式熱交換器》[2]和SW6《過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件》來設(shè)計(jì)。

非軸對稱截面換熱管換熱器傳熱強(qiáng)化特點(diǎn)：其變截面從任意截面看主要是相同的長圓或橢圓形，螺旋狀扭曲延伸至長度方向的一種換熱管型，其截面中心軸線為一直線。非軸對稱截面換熱管可以根據(jù)需要加工成不同形狀和不同螺距的管型[3]。為了提高非對稱截面換熱管傳熱性能，在管殼式換熱器殼體中，非軸對稱截面換熱管均勻緊密分布，同時(shí)需要布管時(shí)相鄰換熱管之間有一定的接觸，在管束上設(shè)置幾道扎箍保證管束剛度以及為管束的抽出吊裝提供便利[4]。非軸對稱截面換熱管強(qiáng)化傳熱主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）非軸對稱截面換熱管以彎曲的螺旋流道為主要內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，所以這就形成了流體在管道中以連續(xù)的渦流形式流動，主要以兩個(gè)方向的流動為主，一個(gè)是縱向的主流方向流動，還有與主流方向垂直的二次流動，二次流動引起的離心力作用增強(qiáng)了流體的旋轉(zhuǎn)和徑向混合，這種流動方式可以明顯的減小傳熱邊界層的厚度，比普通的直管流道中流體流動的傳熱效果更好。

（2）非軸對稱截面換熱管的特點(diǎn)主要是螺旋截面結(jié)構(gòu)并且在殼程緊密排列，兩個(gè)基本特征形成了殼程的流體流道縱向呈螺旋周期變化，殼程流體在外側(cè)沿著換熱管縱向流動，總體在換熱管間形成螺旋循環(huán)式的流體殼程流道，一方面有利于殼程流體與傳熱面最大程度的接觸，另一方面，二次流動產(chǎn)生的離心力使殼程流體隨著螺旋流道做著周期性的運(yùn)動，不斷改變流動方向和速度，流體運(yùn)動至螺旋線接觸點(diǎn)會出現(xiàn)大量脫離管子外壁的尾流，這樣就會通過增加流體的擾動性來使殼程流體傳熱率更有效。

（3）在傳熱效能方面非軸對稱截面換熱管換熱器優(yōu)于普通弓形折流板換熱器，這主要是因?yàn)榉禽S對稱截面換熱管換熱管特殊的結(jié)構(gòu)：管之間點(diǎn)接觸，管束之間具有自支撐性，因此，殼程流體的流動阻力相對較小，雖然在相同Re的條件下，弓形折流板換熱器主要結(jié)構(gòu)折流板對殼程流體的擾流作用導(dǎo)致橫向地沖刷換熱管，再者流體流動周期性地改變流動方向，所以殼程流體的擾動程度明顯大于扭曲管換熱器殼程，但在相同壓力降的前提下，特別是在Re的情況下，非軸對稱截面換熱管換熱器的殼程傳熱效果明顯優(yōu)于弓形折流板換熱器

（4）非軸對稱截面換熱管緊密分布的管束對于換熱器體積起到有效的減小作用，管子本身由于特殊的扭曲結(jié)構(gòu)，有效縮短換熱管的軸向長度，另外換熱器的殼程之間的結(jié)構(gòu)更加緊密，減小換熱器的直徑，殼程的螺旋流道結(jié)構(gòu)，一方面消除流動死區(qū)的同時(shí)通過湍動流體的沖刷作用有效清潔換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（5）采用工藝流程模擬軟件ASPEN V7.2 對非軸對稱截面換熱管換熱器的管程和殼程流體模擬測試，對比兩者管程及殼程的流場分布、傳熱系數(shù)以及壓力降結(jié)果，分析兩者扭曲比、導(dǎo)程對傳熱效果、流阻性能之間的影響關(guān)系。結(jié)果顯示，非軸對稱截面換熱管的扭曲比，傳熱系數(shù)、壓力降三者之間成正比，總而言之，在對非軸對稱截面換熱管選擇時(shí)要綜合考慮其對傳熱系數(shù)和壓力降的影響。結(jié)論顯示當(dāng)流體粘滯系數(shù)大并且管程雷諾數(shù)小的前提條件下，傳熱強(qiáng)化綜合性能相對較好，而對于管程來說，最佳的導(dǎo)程與當(dāng)量直徑之比S/de為D12，最佳的壓扁程度A/B為1.4～2.0;對于殼程來說，同樣流體粘滯系數(shù)大并且管程雷諾數(shù)小的前提條件下，與其他常見換熱器對比起來的綜合性能最好[5]，所以，非軸對稱截面換熱管換熱器對于高粘低速流體的傳熱更有效。

（6）在設(shè)計(jì)選型方面，殼程不需具備設(shè)計(jì)折流板等支撐元件，非軸對稱截面換熱管換熱器在其他結(jié)構(gòu)上與普通的弓形折流板換熱器基本一致。

（7）非軸對稱截面換熱管換熱器管外傳熱性能模擬，目前應(yīng)用的管殼式非軸對稱截面換熱管換熱器的殼程結(jié)構(gòu)來看，換熱管之間以互相接觸的自支撐布管形式組成，而且管與管之間的殼程主要是縱向螺旋流道。由于非軸對稱截面換熱管換熱器的殼程流道主要結(jié)構(gòu)是由非軸對稱截面換熱管之間互相緊密接觸形成的螺旋縱向流道，流體流動基本上是沿管束平行流通，所以可將殼程流體的流動看作非圓形直管的管內(nèi)流動，非軸對稱截面換熱管換熱器的殼程達(dá)到湍流時(shí)所需的雷諾數(shù)和普通弓形折流板換熱器的殼程大致一致，均需要達(dá)到10000以上，同時(shí)雷諾數(shù)過大可能會引起流動死區(qū)或者震動等問題。對于一些特殊類型的非軸對稱截面換熱管來說，管外流體的湍流程度加強(qiáng)主要在非軸對稱截面換熱管壁面處得到改善，非軸對稱截面換熱管換熱器的殼程實(shí)際結(jié)構(gòu)是非軸對稱截面換熱管之間緊密接觸、相互支撐，管之間的間隙較小，另外單根非軸對稱截面換熱管周圍引起的殼程流體與相鄰的多根非軸對稱截面換熱管周圍引起的殼程流體可以互相擾動，總而言之，非軸對稱截面換熱管換熱器殼程的強(qiáng)化傳熱效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)管式換熱器換熱效果[6]。

綜上所述，非軸對稱截面換熱管換熱器由于強(qiáng)化傳熱特點(diǎn)而備受社會關(guān)注，并且逐漸應(yīng)用于工業(yè)過程當(dāng)中。換熱器是一種有效熱量傳遞的基礎(chǔ)設(shè)施器械，并且在石油化工等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著世界能源短缺問題的日益嚴(yán)重以及工業(yè)新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，目前將研究重點(diǎn)放在提高能源的綜合利用效率上[7]。

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