折流桿換熱器的研究方法進(jìn)展

徐燁琨 ，劉成 ，李永輝

（1天津大學(xué)綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2天津大學(xué)石油化工技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，天津 300072）

換熱器是化工、石油、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的常見(jiàn)設(shè)備[1]。在各種形式的換熱器中，管殼式換熱器因具有操作彈性好、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而得到十分廣泛的應(yīng)用[2-3]。傳統(tǒng)的管殼式換熱器一般使用折流擋板進(jìn)行殼程傳熱的強(qiáng)化以及管束的支撐，殼程流體流動(dòng)由橫向流動(dòng)主導(dǎo)，產(chǎn)生的卡門漩渦能引起管束的誘導(dǎo)振動(dòng)，使得部分使用折流板強(qiáng)化的管殼式換熱器具有振動(dòng)強(qiáng)烈的缺點(diǎn)，一定程度上限制了它在工業(yè)上的使用[4]。美國(guó)菲利普斯石油公司于 20世紀(jì) 70年代成功開(kāi)發(fā)出折流桿換熱器[5-6]，有效解決了管束振動(dòng)的問(wèn)題。

折流桿換熱器使用折流柵代替折流擋板進(jìn)行管束的支撐以及傳熱的強(qiáng)化。每一組折流柵都由相互平行的折流桿組成，折流桿為鋼條，布置于換熱管束之間，對(duì)換熱管形成夾持作用，同時(shí)也對(duì)殼程流體產(chǎn)生擾動(dòng)作用。同一折流柵內(nèi)的折流桿相互平行，相鄰折流柵間的折流桿相互垂直，4個(gè)折流柵可以構(gòu)成一組支撐結(jié)構(gòu)，從而對(duì)每根換熱管都能從4個(gè)方向形成完善的支撐。折流桿換熱器殼程流動(dòng)由平行于換熱管軸向的縱向流動(dòng)主導(dǎo)，減小了流體對(duì)管束的沖擊，大大削弱了由流體橫向流動(dòng)產(chǎn)生的卡門漩渦，從源頭減輕了管束的振動(dòng)。同時(shí)，流體不需來(lái)回折流，壓降大大降低；死區(qū)面積大大減小，傳熱均勻性和抗結(jié)垢性能也得以提升。然而，折流桿換熱器一般使用正方形布管方式，緊湊性不高，同時(shí)還存在流動(dòng)擾動(dòng)不足、低雷諾數(shù)時(shí)傳熱系數(shù)不高的缺點(diǎn)，因此，研究者們對(duì)折流桿換熱器展開(kāi)了深入的研究，合理設(shè)計(jì)、改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，拓寬了折流桿換熱器的使用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)研究

在折流桿換熱器問(wèn)世后，菲利普斯石油公司的Gentry等通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，得到了用于折流桿換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，包括壓降與努賽爾數(shù)的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式[7-10]，隨后國(guó)內(nèi)的董其伍[11]、錢頌文[12]等也使用各自的方法得到相關(guān)公式。他們的工作極大地促進(jìn)了折流桿換熱器的推廣使用。目前，關(guān)于折流桿換熱器的實(shí)驗(yàn)研究多在其結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，重點(diǎn)在于對(duì)換熱管形式以及折流桿形式的改進(jìn)，以強(qiáng)化其傳熱過(guò)程，克服折流桿換熱器殼程傳熱系數(shù)相對(duì)較低的缺點(diǎn)。

在換熱管形式方面，Wang等[13]對(duì)比了螺紋管與光管折流桿換熱器，除換熱管形式外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。換熱器共37根換熱管，折流柵間距為75mm，殼程流體為 50℃的原油，運(yùn)動(dòng)黏度為1.744×10?7m2/s，雷諾數(shù)為（2.0～4.8）×103，結(jié)果顯示，螺紋管折流桿換熱器的傳熱系數(shù)為 300～700W/(m2·K)，比光管折流桿換熱器高 38%左右，而二者壓降十分接近。由此可見(jiàn)，使用螺紋管強(qiáng)化折流桿換熱器能顯著增大換熱器的傳熱系數(shù)，且不會(huì)增加換熱器的壓降，能獲得很好的綜合效果。

在折流桿形式方面，嚴(yán)良文等[14-15]開(kāi)發(fā)了波形折流桿換熱器，并與折流板式換熱器對(duì)比。使用波形桿代替直桿，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三角形排布的管束的支撐，克服其緊湊性不高的缺點(diǎn)。換熱器共57根換熱管，殼程流體為水，管程流體為工業(yè)乙酸。結(jié)果顯示，當(dāng)固定管程流體雷諾數(shù)為28100時(shí)，隨著殼程雷諾數(shù)從1.5×104增大到5.5×104，換熱器的總傳熱系數(shù)從 1000W/(m2·K)增大至 1300 W/(m2·K)，且傳熱系數(shù)比對(duì)應(yīng)的折流板式換熱器還高?？姿蓾萚16]對(duì)菱形桿折流桿換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示菱形桿相對(duì)于圓形桿，能使換熱器的傳熱系數(shù)增大約20%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法能準(zhǔn)確測(cè)定換熱器的性能，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的折流桿換熱器的性能進(jìn)行對(duì)比。但是，實(shí)驗(yàn)研究的成本較高，實(shí)驗(yàn)對(duì)象一般為小型的折流桿換熱器，其結(jié)果對(duì)工業(yè)規(guī)模的大型折流桿換熱器的適用性還有待考察，這是目前關(guān)于折流桿換熱器的實(shí)驗(yàn)研究的有待完善之處。

2 模擬研究

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了研究者們使用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)換熱器進(jìn)行研究。對(duì)換熱器進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬，不僅可以獲得它們的傳熱系數(shù)、壓降等數(shù)據(jù)，為其設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，還可以獲得它們內(nèi)部詳細(xì)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)信息，為其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論支持，相比于實(shí)驗(yàn)研究方法，一次有效的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬能使研究者以更低的成本獲得更豐富的信息[17]。

折流桿換熱器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)折流桿位于換熱器的殼程，因此對(duì)殼程的流體流動(dòng)與傳熱的模擬是研究者的研究重點(diǎn)。即便僅對(duì)折流桿換熱器的殼程進(jìn)行數(shù)值模擬，仍對(duì)計(jì)算設(shè)備的硬件有十分高的要求。為克服這一難點(diǎn)，研究者們提出了使用多孔介質(zhì)模型、周期性單元流道模型、周期性全截面模型以及“分段模擬，整體綜合”的方法展開(kāi)了折流桿換熱器的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬。

2.1 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型將模擬對(duì)象中的流體、固體劃入同一控制體，用體積多孔度、表面滲透度、分布阻力與分布熱源等變量來(lái)表示固體構(gòu)件的存在對(duì)流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程的影響。其計(jì)算量遠(yuǎn)小于一般的數(shù)值模擬過(guò)程，且能獲得較為準(zhǔn)確的整體信息，如壓降、平均傳熱系數(shù)等。

嚴(yán)良文等[18]以Phoenics軟件為平臺(tái)，使用多孔介質(zhì)模型對(duì)折流桿換熱器殼程進(jìn)行了詳細(xì)的模擬研究。其模擬的換熱器包含60根換熱管，32組折流柵，殼體內(nèi)徑257mm，管束長(zhǎng)度6000mm。網(wǎng)格數(shù)為88641。模擬所用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，數(shù)學(xué)算法為SIMPLE算法，對(duì)5種不同工況進(jìn)行了模擬，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)照，結(jié)果顯示模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，殼程總壓降的偏差小于 5%，努賽爾數(shù)的偏差小于 8%。由此可見(jiàn)，多孔介質(zhì)模型在傳熱系數(shù)、壓降等整體信息方面的準(zhǔn)確度較高。模擬結(jié)果指出進(jìn)口段的壓力梯度相較其他區(qū)域更大，中間區(qū)域流體流速更高，傳熱系數(shù)明顯高于邊壁區(qū)域[19-20]。對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的折流桿換熱器進(jìn)行了一系列模擬，考察了折流桿排布方式、折流圈間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器的傳熱性能以及壓降的影響，結(jié)果表明桿間距為 100mm、折流柵截面流通率為0.3677的折流桿換熱器的綜合性能最佳[21]。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到了相應(yīng)的傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式與流動(dòng)阻力關(guān)聯(lián)式，其具體形式可參考文獻(xiàn)[22]。

使用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行折流桿換熱器的模擬能獲得準(zhǔn)確的壓降與傳熱系數(shù)等整體信息，但是由于它對(duì)模擬對(duì)象的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，因此難以獲得設(shè)備內(nèi)部詳細(xì)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)等細(xì)節(jié)信息。

2.2 周期性單元流道模型

在折流桿換熱器中，換熱管一般為正方形排布，橫向與縱向的折流桿沿管束軸向交替出現(xiàn)，在換熱器內(nèi)部形成大量的重復(fù)性結(jié)構(gòu)；此外，折流桿換熱器殼程中流動(dòng)由縱向流動(dòng)主導(dǎo)，在流動(dòng)的充分發(fā)展區(qū)域，流型也呈現(xiàn)周期性的分布，因此王定標(biāo)等[23]提出了使用周期性單元流道模型的方法來(lái)考察折流桿換熱器，避免對(duì)換熱器內(nèi)部重復(fù)的結(jié)構(gòu)、重復(fù)的流動(dòng)進(jìn)行重復(fù)的模擬，避開(kāi)折流桿換熱器的數(shù)值模擬對(duì)計(jì)算設(shè)備的高要求。

單元流道是由4根1/4換熱管所包含的殼程區(qū)域，其間包含兩根相互垂直的折流桿，如圖 1所示[24]。模型采用周期性邊界條件作為進(jìn)口、出口邊界條件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)充分發(fā)展區(qū)段的流動(dòng)的模擬。由于將模擬對(duì)象縮小至圖1所示的單元流道內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)得以大大降低，極大地減少了計(jì)算成本，同時(shí)還能使研究者更加細(xì)致地考察不同形式的折流桿以及折流桿排布方式對(duì)流體流動(dòng)與傳熱的影響。

圖1 單元流道模型示意圖[23]

Dong等[25]將周期性單元流道模型的模擬結(jié)果與菲利普石油公司、鄭州大學(xué)分別提供的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示模擬結(jié)果的傳熱系數(shù)偏差在10%以內(nèi)，壓降偏差在15%以內(nèi)，因此周期性單元流道模型的模擬滿足工程計(jì)算的要求。Wu[24，26]、董其伍[27]等使用周期性單元流道模型考察了一系列不同折流桿間距的折流桿換熱器在不同流量下的性能，結(jié)果指出，隨著雷諾數(shù)從2×103增大到3×104，傳熱系數(shù)從 30W/(m2·K)增大至 90W/(m2·K)?？梢?jiàn)，為了獲得高傳熱系數(shù)，折流桿換熱器不適于在小流量下操作；此外，他們的研究結(jié)果還表明折流桿軸向間距越小，越適宜在低流量下操作。

使用周期性單元流道模型對(duì)折流桿換熱器進(jìn)行模擬研究，可以細(xì)致地研究折流桿對(duì)流體流型的影響，著重考察不同折流桿形式對(duì)換熱器性能的影響，對(duì)比它們的性能，優(yōu)化折流桿的形式。表1為各種不同形式的折流桿的性能對(duì)比，由于恒徑直圓桿為最通用的折流桿形式，因此表中各種形式的折流桿的性能參數(shù)數(shù)據(jù)均以相對(duì)于同條件下恒徑直圓桿數(shù)據(jù)的倍數(shù)的形式表示。表 1中，除文獻(xiàn)[34]未給出傳熱介質(zhì)外，其余文獻(xiàn)的傳熱介質(zhì)均為水；除文獻(xiàn)[32]未提到熱邊界條件外，其余文獻(xiàn)的熱邊界條件均為恒壁溫邊界條件；所有文獻(xiàn)均不考慮重力的影響；文獻(xiàn)[29]與[32]的湍流模型為RNGk-ε模型，數(shù)學(xué)算法為 SIMPLEC算法；文獻(xiàn)[28]、[31]、[33]與文獻(xiàn)[34]的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，數(shù)學(xué)算法為SIMPLE算法。

表1 不同折流桿的性能參數(shù)相對(duì)于恒徑直圓桿的對(duì)比

從表1中可以看到，在絕大多數(shù)情況下，通過(guò)改變折流桿形式來(lái)增大殼程傳熱系數(shù)，總是以增大殼程的壓降為代價(jià)的。表中的折流桿可以分為兩類：一類是以方桿、三角形桿等為代表，其流道的傳熱系數(shù)與壓降均高于恒徑直圓桿的，以方桿表現(xiàn)最為強(qiáng)烈；另一類折流桿則表現(xiàn)相反，其流道的傳熱系數(shù)與壓降均低于恒徑直圓桿的，其中以變截面桿表現(xiàn)最強(qiáng)烈。由于折流桿換熱器具有擾動(dòng)不夠強(qiáng)烈、傳熱系數(shù)相對(duì)較低的缺點(diǎn)，同時(shí)又具有壓降較低的優(yōu)點(diǎn)，所以對(duì)折流桿換熱器的強(qiáng)化應(yīng)著眼于傳熱系數(shù)的提高，而不是壓降的降低。因此前一類折流桿具有更廣闊的應(yīng)用前景。而后一類折流桿以降低傳熱系數(shù)為代價(jià)來(lái)追求壓降的進(jìn)一步降低，是得不償失的，這種形式的折流桿強(qiáng)化的換熱器可考慮用于要求壓降極低的傳熱過(guò)程。

周期性單元流道模型對(duì)計(jì)算設(shè)備要求低，簡(jiǎn)單易行；但其模型過(guò)于簡(jiǎn)化，因此誤差相對(duì)較大，可用于不同形式的折流桿性能的對(duì)比。周期性單元流道模型無(wú)法考察折流圈、進(jìn)出口等結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響。此外，根據(jù)對(duì)稱性將單元流道模型展開(kāi)可以發(fā)現(xiàn)，圖1中的模型只適用于雙向支撐布桿方式的折流桿換熱器（即每隔一根換熱管布置一根折流桿），不適用于單向支撐布桿方式的換熱器（即每隔兩根換熱管布置一根折流桿）。然而，在工業(yè)上單向支撐布桿方式的折流桿換熱器使用更廣泛，對(duì)其模擬研究更具工業(yè)指導(dǎo)意義，這是周期性單元流道模型有待完善之處。

2.3 周期性全截面模型

周期性全截面模型取流動(dòng)已充分發(fā)展的中間重復(fù)段中的一段進(jìn)行模擬。進(jìn)口、出口邊界條件與周期性單元流道模型相同，為周期性邊界條件。周期性全截面模型能將換熱器中布管區(qū)以外的折流圈、拉桿等附屬結(jié)構(gòu)均考慮在內(nèi)，提供比周期性單元流道模型更豐富、更準(zhǔn)確的信息。

Dong等[25]對(duì)一包含49根換熱管的殼體為方形的臥式折流桿換熱器分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與周期性全截面模型的模擬計(jì)算，實(shí)驗(yàn)采用多普勒激光測(cè)速儀對(duì)流動(dòng)充分發(fā)展段的流體速度進(jìn)行測(cè)定，模擬所用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。結(jié)果表明，在軸向的速度分量方面，周期性全截面模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果吻合較好，偏差在10%以內(nèi)；由于沒(méi)有考慮重力的影響，橫向的速度分量的偏差相對(duì)較大，高達(dá)80%，然而橫向速度分量約比軸向速度分量小兩個(gè)量級(jí)，因此其影響較小，由此證明了周期性全截面模型是可行的。同時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果均表明在流動(dòng)充分發(fā)展段，流動(dòng)以軸向流動(dòng)為主，相鄰流道間的傳熱介質(zhì)的交換很少。

Wang等[35]使用周期性全截面模型對(duì)一個(gè)小型折流桿換熱器進(jìn)行了考察，同時(shí)與相同尺寸的折流板換熱器、H形折流片換熱器進(jìn)行了對(duì)比。模擬得到的速度分布圖清晰地揭示了折流桿換熱器在流動(dòng)均勻性方面的巨大優(yōu)勢(shì)，死區(qū)面積大大減小，其中的折流桿換熱器的截面速度分布圖如圖2所示；在壓降方面，當(dāng)折流板板間距與折流桿的軸向桿間距相同時(shí)，相同流量下，折流板換熱器的壓降比折流桿換熱器高出10倍左右，但是平均傳熱系數(shù)僅能高出 2～3倍。古新等[36]使用周期性全截面模型對(duì)直徑為200～600mm的折流桿換熱器近殼壁區(qū)的流體流動(dòng)與傳熱狀況進(jìn)行了考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)近殼壁區(qū)的換熱管的傳熱系數(shù)明顯大于殼體中心區(qū)域換熱管的傳熱系數(shù)，由此說(shuō)明折流圈的存在使擾動(dòng)更加強(qiáng)烈。

周期性全截面模型的模擬適用于換熱器的流動(dòng)充分發(fā)展的部分，對(duì)進(jìn)口段與出口段則完全不適用，不能考察流體進(jìn)、出換熱器時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法考察流體進(jìn)入換熱器后是否能順利傳遞進(jìn)換熱器的中心區(qū)域，而這一點(diǎn)對(duì)大直徑的折流桿換熱器尤為重要。此外，周期性全截面模型的計(jì)算量仍然是較大的。

2.4 “分段模擬，整體綜合”思想

圖2 折流桿換熱器的周期性全截面模型的模擬結(jié)果所得速度分布圖[35]

郭崇志等[37]提出“分段模擬，整體綜合”的思想，對(duì)一包含19根換熱管、管長(zhǎng)1.5m的折流桿換熱器殼程進(jìn)行了模擬，將整個(gè)換熱器分為進(jìn)口段、中間重復(fù)段以及出口段等部分，進(jìn)行分段模擬，考察了包括進(jìn)口、出口、導(dǎo)流筒等在內(nèi)所有部件的影響，整個(gè)入口部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。模擬所用湍流模型為RNGk-ε模型，換熱介質(zhì)為水。模擬結(jié)果表明，在低雷諾數(shù)操作條件下，導(dǎo)流筒對(duì)換熱器整體影響較小，而在高雷諾數(shù)條件下則影響較大，對(duì)提高換熱器的性能有利；同時(shí)，進(jìn)口、出口段的壓降也遠(yuǎn)高于單組折流桿所產(chǎn)生的壓降。同時(shí)，郭崇志等還詳細(xì)對(duì)比了正方形布管方式與三角形布管方式的性能差異[38]，結(jié)果顯示在流速較低時(shí)，三角形布管方式的傳熱系數(shù)略高于正方形布管方式的，而在流速較高時(shí)，二者相差并不明顯；同時(shí)，在壓降方面，始終有三角形布管方式低于正方形布管方式。對(duì)正三角形布管方式的折流桿換熱器的研究具有十分重大的意義，不僅可用來(lái)設(shè)計(jì)新的折流桿換熱器，還可用于對(duì)已投入使用的折流板換熱器的改造。

“分段模擬，整體綜合”的模擬方法相較于其他模擬方法能獲得最全面的信息，由于考察了進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的影響，因此可用于考察大直徑折流桿換熱器的徑向流動(dòng)與傳熱均勻性問(wèn)題。但是，“分段模擬，整體綜合”模擬方法的計(jì)算成本也是各種方法中最高的。

3 結(jié) 語(yǔ)

圖3 入口部分結(jié)構(gòu)示意圖[37]

美國(guó)菲利普斯石油公司成功開(kāi)發(fā)出折流桿換熱器后，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)獲得了折流桿換熱器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式。目前，關(guān)于折流桿換熱器的研究多集中于換熱器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，包括實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算機(jī)模擬的方法，由于成本問(wèn)題，模擬研究逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。模擬研究方面，多孔介質(zhì)模型、周期性單元流道模型、周期性全截面模型、“分段模擬，整體綜合”等模擬方法相繼被用于折流桿換熱器的模擬。由于各方法、模型本身的特點(diǎn)，它們各有利弊，同時(shí)又互相補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)法和模擬法中的多孔介質(zhì)模型，可用于獲得折流桿換熱器的整體性能參數(shù)，如平均傳熱系數(shù)、壓降等；周期性單元流道模型可用于考察折流桿形式以及折流桿軸向間距對(duì)換熱器性能的影響；周期性全截面模型還可以考察折流圈等結(jié)構(gòu)的影響；“分段模擬，整體綜合”的方法更能研究進(jìn)口段與出口段流動(dòng)的形態(tài)。對(duì)于待定的問(wèn)題，應(yīng)采用相應(yīng)的方法或模型。另一方面，若結(jié)合不同的方法或模型進(jìn)行折流桿換熱器的研究，則能獲得更加完整、充足的信息，同時(shí)將研究成本控制在可接受范圍內(nèi)。此外，目前研究的折流桿換熱器都不大，大直徑折流桿換熱器的研究工作還有待研究者們展開(kāi)。

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