旋流強化換熱器傳熱與流阻分析

劉鳳霞* 韓 震 于 洋 胡大鵬 魏 煒 安 揚

（1.大連理工大學 化工學院 2.大連理工大學 精細化工國家重點實驗室 智能材料化工前沿科學中心）

0 引言

換熱器在化工、能源等領域發揮著至關重要的作用[1-2]，特別是管殼式換熱器，具有用途廣泛、維護方便、耐高壓、耐高溫等優點，是當前應用最廣泛的換熱器類型[3]。旋流結構元件能提高外圍流速，產生渦流來沖擊、破壞邊界層[4]，在管內產生較為理想的擾動效果，是目前較為常用的熱強化及自清潔裝置[5]。在換熱管內使用旋流元件增強管內擾動，以提高近壁流速，破壞壁面邊界層。綜合其他研究成果后發現，單管內置旋流件的研究成果較為豐富，但對于換熱器管程的旋流強化研究較少。本文以煤炭地下氣化為研究背景，設計了一種安裝于換熱管入口的旋流元件，并研究不同結構參數對換熱器的傳熱及流動的影響。

1 物理模型

換熱管的尺寸為 32 mm×3 mm，由33 根換熱管呈正三角形排列，管間距為48 mm，管長為1 500 mm，具體結構尺寸可見表1。

表1 管殼式換熱器主要尺寸

如圖1 所示，原點坐標系位于中心換熱管的入口處，以流體流動方向為z軸正方向。

圖1 換熱器模型截面圖及局部放大圖

旋流元件的基本結構是由螺旋葉片繞中心圓芯而成，如圖2 所示。本文主要研究的參數包括螺旋角度α、旋流元件長度L以及螺旋葉片寬度W。換熱管和旋流元件以z軸為中心軸，平行于z軸安裝。

圖2 旋流元件示意圖

2 求解設置及邊界條件

對計算模型進行簡化假設：流體物性參數為常數；流動是不可壓縮的定常流動；忽略流體中的黏性耗散和質量力。本研究使用RNGk-ε湍流模型[6]。

換熱器的網格類型為非結構化網格，如圖3 所示，為了消除網格數量對數值計算的影響，對加入旋流元件旋流角度為26°的換熱器進行無關性檢驗。結果表明，在網格為215 萬左右時，隨著網格數量的增加，傳熱系數和壓降的變化不再明顯，綜合考慮將215 萬確定為計算網格數量。

圖3 換熱器網格劃分

設置進口流量分別為30、35、40、45、50 m3/h，方向垂直于入口面，入口溫度為473 K，出口邊界條件采用自由出流條件，管道壁面為無滑移，且為恒壁溫為313 K。

壓差可通過下式計算：

式中：pin——進口壓力，Pa；

pout——出口壓力，Pa。

傳熱系數可通過下式計算：

式中：△tm——對數平均溫差，K；

A——換熱面積，m2；

Q——傳熱速率，W。

綜合性能評價JF可通過下式計算：

努塞爾數Nu和阻力系數f：

式中：h——管程對流換熱系數，W/(m2·K)；

Di——管程水力直徑，m；

λ——管程流體導熱系數，W/(m·K)。

式中：u——管程流體流速，m/s；

ρ——管程流體密度，kg/m3；

l——換熱管長度，m；

△p——管程壓降，Pa。

3 結果分析

3.1 速度和溫度云圖分析

以流量為40 m3/h，溫度為473 K，壓力為1.0 MPa 的空氣作為進口條件來研究有無旋流元件條件下換熱器內部的溫度和流動情況，如圖4 所示。旋流元件對換熱器溫度分布影響很大，由于旋流元件的擾動作用，氣體在進口管箱內環流強化，進口管箱內的氣體溫度分布均勻化，換熱管入口處的氣流溫差也有效減小了。氣流經過旋流元件后，管中心流速降低，近壁區域流速提高，沿著流體流動方向產生一個繞Z軸中心的旋轉流動，沖擊、破壞了邊界層，從而提高了整體換熱能力，壁面處流體速度增大也使得流體對壁面的沖刷作用增強。圖5 為Z=100 mm 處截面溫度云圖，加入旋流元件之后，各換熱管內流動更均勻，并且隨著旋流角度增大，效果更加顯著。

圖4 不同旋流角度下Y=0 mm溫度云圖

圖5 不同旋流角度下Z=100 mm溫度截面云圖

為了準確描述旋流角度對氣體在換熱管內速度的分布，選取圖5 虛線框中的單換熱管為研究對象，對Z=100 mm 時的速度截面云圖進行分析，如圖6 所示。旋流元件角度對換熱管截面速度分布影響較大，在旋流元件的作用下，截面最大速度分別達到了1.36、2.18、2.73 m/s，相較于無旋流元件的情況下提升明顯，同時旋流角度越大，壁面速度及速度梯度分布均顯著增大，切向速度增加，對邊界層的破壞作用明顯增加，使得整體換熱系數明顯增加。圖7 為在旋流角度α=26°條件下，換熱管中心、近壁和平均速度分布情況，虛線為旋流元件加入處，可以看出在加入旋流元件后管內速度變化十分明顯，特別是在虛線（旋流元件加入位置）后，但隨著管長位置增大這種影響效果也會快速減弱，在管長位置為0.8 m 左右時各項速度基本趨于穩定。

圖6 不同旋流角度下Z=100 mm換熱管截面速度云圖

圖7 α=26°時換熱管內速度分布

3.2 傳熱系數及壓降分析

圖8 給出了幾種旋流元件下的換熱器的傳熱系數曲線圖，可以看出加入旋流元件的換熱器的傳熱系數顯著增加，所有強化情況下傳熱系數從16.2～23.7 W/（m2·K）增加到33.0～49.3 W/（mm2· K），總體增加幅度為76.1%～135.9%，在旋流角度為18°、長度為48 mm 且葉片寬度為10 mm 時，傳熱系數最大，并且隨著流量的增加傳熱系數穩定增加，流量為50 m3/h時達到最大值49.3 W/（m2· K）。

圖8 旋流強化換熱器傳熱系數

如圖9 所示，壓力從344.0～957.5 Pa 增加到365.9～1 127.4 Pa，不同進口流量下總體增加幅度為5.7%～19.48 %。壓力隨著進口流量增加而穩定增加，在不同螺旋角度的影響下其壓力相差約為5%，其余參數條件下對壓力損失影響相對較小，因此對氣體為介質的流動來說，管內的旋流元件對于其壓力損失影響相對較小，旋流角度的影響相對較大。

圖9 旋流強化換熱器壓降

換熱器的綜合性能評價JF是綜合考慮加入旋流元件后的換熱器的傳熱提升和壓力損失所得出的評價方法。圖10 所示為各種參數下的JF值，可以看出整體提升效果較為明顯，在α=18°、L=48 mm 以及W=10 mm 時效果最佳，并且其值均表現出隨著流量增加而減小的變化趨勢。

圖10 旋流強化換熱器綜合性能評價

4 實驗系統

通過數值計算對換熱器加入旋流元件的傳熱效果做了詳細的研究，同時根據上文的計算建立了換熱器的實驗研究系統，如圖11 所示。

圖11 實驗裝置及流程圖

基于煤炭地下氣化（UCG）處理粗煤氣的工藝需求，本文建立了日處理量約為0.5 萬Nm3的煤氣處理撬裝系統。該系統中，采用了立式管殼式換熱器，換熱器直徑為377 mm，高度為2.32 m，內置33根換熱管，每根換熱管上安裝α=18°、L=48 mm 和W=10 mm 的旋流元件。管程流動介質為熱空氣（以A 表示），殼程介質為冷水（以W 表示）。流程中，熱空氣加壓至1 MPa，經電加熱器升溫至200 ℃后，進入換熱器的管程，與冷卻水換熱冷卻后進入下游設備。

殼程由水泵提供流動工質循環的動力，由水泵流出后經管道W4 并測其流量，然后流經管道W1 進入殼體入口，在殼體完成換熱后經管道W2 流入水箱，然后經管道W3 被抽出完成流動循環。在換熱器的出入口分別設置壓力表和溫度計以及調節閥，研究兩側介質熱交換達到穩定時，開始記錄測試數據。如此循環操作測試不同進口參數條件下的實驗工況，完成對換熱器性能的測試工作。

通過上述實驗裝置，在不同流量下對換熱器有沒有加入旋流元件的換熱器的傳熱情況進行實驗研究，得出了不同進口條件下換熱器的傳熱系數，如圖12 所示。同樣對換熱器管程進口流量，30～50 m3/h的換熱器的傳熱效果進行研究，隨著流量的增加傳熱效果隨之增加，加入旋流元件后的總傳熱量為9.73～14.86 kW，總傳熱系數為32.3～40.65 W/（m2· K），而無旋流元件的條件下實驗總傳熱量為7.42～11.5 kW，總傳熱系數為16～24.31 W/（m2· K）。圖12為相同條件下的實驗和數值模擬的研究結果對比，二者結果符合較好，誤差在10%之內。

圖12 實驗和模擬結果

5 結語

本文對加入旋流元件的換熱器進行了模擬研究，得出了不同進口流量條件下不同結構參數旋流元件下換熱器的傳熱及流動情況，并建立了相關實驗裝置，為下一步的自清潔型換熱器打下了基礎，主要研究結論如下：

（1）對于換熱器以氣體為管程流動介質，且加入旋流元件的情況下，能以較小的壓力損失產生較強的換熱以及管內擾動能力，且能使流體在上管箱區域均勻分布。

（2）相較于常規光管換熱器，加入旋流元件傳熱系數提高了76.1%～135.9%，壓力增加了5.7%～19.5%，并且隨著流量增大，換熱效果的增幅減小，壓降增幅增大。在本文研究范圍內，當α=18°、L=48 mm 和W=10 mm 時換熱器的整體換熱性能最佳。