管內(nèi)擾流元件的強(qiáng)化傳熱原理與性能指標(biāo)研究進(jìn)展

張勝中，高景山，王陽(yáng)峰，王海波，徐宏

（中國(guó)石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順113001）

隨著常規(guī)能源日益減少、燃料以及設(shè)備制造成本的不斷升高。強(qiáng)化傳熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用到化工、電力與環(huán)保等領(lǐng)域。強(qiáng)化傳熱技術(shù)可以分為主動(dòng)、被動(dòng)及混合式3類(lèi)。主動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)需要外界提供不同形式的能量，如電場(chǎng)、聲場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)及噴射沖擊等；被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)則不需要外界提供能量，如換熱表面涂層、換熱表面擴(kuò)增、扭曲管以及管內(nèi)擾流元件強(qiáng)化傳熱技術(shù)等［1］；混合式綜合了以上兩種方法，但由于實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用難度大而研究較少。其中被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)具有使換熱設(shè)備緊湊化、降低設(shè)備投資、減少用地等特點(diǎn)，從而得到最為廣泛的應(yīng)用。

管內(nèi)擾流元件作為被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易的一種，由于應(yīng)用時(shí)能有效提高傳熱效率、不增加用地、安裝檢修方便的特點(diǎn)，在生產(chǎn)裝置中的管殼式換熱設(shè)備面臨擴(kuò)能改造、延緩結(jié)垢問(wèn)題時(shí)得到廣泛應(yīng)用［2－4］。管內(nèi)流體受到擾流元件的阻礙、分流而產(chǎn)生二次流，增強(qiáng)了徑向旋流，減小了徑向溫度場(chǎng)變化梯度，最終導(dǎo)致管內(nèi)膜傳熱系數(shù)增大、污垢熱阻減小，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。本文綜述了管內(nèi)擾流元件的研究進(jìn)展，總結(jié)了管內(nèi)擾流元件的計(jì)算、模擬方法以及不同類(lèi)型擾流元件的適用體系，為擾流元件的工程應(yīng)用提供了選型設(shè)計(jì)方法與步驟。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 常規(guī)擾流元件

處于層流、過(guò)渡狀態(tài)的流體以及易結(jié)垢的物系，其換熱效率一般較低，在系統(tǒng)壓降容許的范圍內(nèi)，管內(nèi)擾流技術(shù)是一種可有效提高傳熱效率的方式［5－6］。常 規(guī) 的 擾 流 元 件 有 彈 簧 ［spring，圖1（a）］、扭 曲 帶［twisted tape，圖1（b）］、線(xiàn) 圈［wire，圖1（c）］與螺旋帶［helical tape，圖1（d）］等。它們的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Garcia等［8］以水和丙二醇（質(zhì)量比1∶1）的混合物為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re小于200時(shí)，彈簧與扭曲帶兩種擾流元件均沒(méi)有明顯的強(qiáng)化傳熱效果；Re在200～700之間時(shí)，要綜合考慮擾流元件引起的壓力降增加與強(qiáng)化傳熱效果，才能確定那種擾流元件更適合；Re在700～2500之間時(shí)，彈簧型擾流元件的強(qiáng)化傳熱效果要優(yōu)于扭曲帶。Dewan等［9］綜述了彈簧與扭曲帶處于不同流態(tài)的氣、液流體中時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)化傳熱效果。發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，熱阻主要集中在很薄的管內(nèi)壁邊界層中，由于彈簧型擾流元件緊貼管內(nèi)壁，能夠有效破壞邊界層，使徑向溫度梯度變化減弱，同時(shí)彈簧占有的管內(nèi)流通面積小，引起的壓力降增加小，所以彈簧型擾流元件更適合于湍流狀態(tài)；當(dāng)流體處于層流狀態(tài)時(shí)，流體邊界層較湍流時(shí)厚，扭曲帶能擾動(dòng)管內(nèi)流體使徑向流動(dòng)整體增強(qiáng)，同時(shí)低流速不會(huì)引起較大的壓力降增加，所以更適合層流狀態(tài)。

Abu－Khader等［10］研究發(fā)現(xiàn)由于引起的壓力降增加明顯，在湍流狀態(tài)下使用扭曲帶是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)，換熱管管徑越小，引起的壓力降損耗增加越明顯，除非應(yīng)用系統(tǒng)能承受壓力降增加帶來(lái)的損耗。Bas等［11］以空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)扭曲帶與管壁之間的空隙越小，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果越好；扭曲帶的扭距對(duì)強(qiáng)化傳熱效果的影響要大于其與管壁間隙的影響；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)扭曲帶扭距小于3時(shí)，隨著Re的增大，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果增強(qiáng)，而當(dāng)Re超過(guò)15000時(shí)，扭曲帶的強(qiáng)化傳熱效果趨于恒定。Padhi等［12］則研究了扭曲帶在氣、固流化床中作為擋板時(shí)的作用，發(fā)現(xiàn)扭曲帶可以減小床層波動(dòng)與膨脹比，使床層流化狀態(tài)優(yōu)化，但同時(shí)也使床層壓降顯著增加。

Ritchie等［13］綜 述 了 采 用 激 光 多 普 勒 測(cè) 速（LDV）與粒子成像測(cè)速（PIV）技術(shù)研究hiTRAN線(xiàn)圈的阻垢與強(qiáng)化傳熱效果，發(fā)現(xiàn)hiTRAN線(xiàn)圈增強(qiáng)了管內(nèi)流體在管壁附近的剪切力，從而有效防止了生物與化學(xué)污垢的沉積，同時(shí)還具有強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)的效果。

Eiamsa－ard等［7］研究了Re處于2300～8800之間的空氣、水換熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)螺旋帶引起的徑向旋流使得管內(nèi)氣相邊界層變薄，最終導(dǎo)致管內(nèi)流體魯塞爾數(shù)（Nu）增大1.45～1.60倍，同時(shí)，擾流元件也使得管內(nèi)流體流通面積減小，導(dǎo)致壓力降高于光管2～4倍。對(duì)于有中軸支撐和無(wú)中軸支撐的螺旋帶進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，前者較后者強(qiáng)化傳熱速率高10%，同時(shí)壓降也高。當(dāng)同一管內(nèi)插入多段螺旋帶時(shí)，較有中軸支撐的螺旋帶傳熱速率減小了15%，而壓力降則減小了63%。

螺旋帶在管內(nèi)只能形成一個(gè)旋流軌道，而扭曲帶由于分流作用可以形成兩個(gè)旋流軌道。經(jīng)研究與實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)在Re小于4000時(shí)，螺旋帶與扭曲帶引起的壓力降增加沒(méi)有明顯區(qū)別［9］，但扭曲帶較螺旋帶易于加工、安裝檢修，且具有更好的機(jī)械強(qiáng)度而得到更廣泛的應(yīng)用。常規(guī)擾流元件中，在壓力降增加允許的范圍內(nèi)，達(dá)到相同的強(qiáng)化傳熱效果時(shí)，彈簧與扭曲帶由于具有加工方便、造價(jià)低、易于安裝檢修等特點(diǎn)，而得到最為廣泛的應(yīng)用。

圖1 典型擾流元件結(jié)構(gòu)示意［7］

1.2 其他類(lèi)型擾流元件及組合擾流元件

1.2.1 特殊結(jié)構(gòu)的擾流元件

姬長(zhǎng)發(fā)等［14］設(shè)計(jì)了一種管內(nèi)擾流元件并研究了其強(qiáng)化傳熱效果，發(fā)現(xiàn)相同的泵耗下，擾流元件與波紋管有同樣的強(qiáng)化傳熱效果。楊衛(wèi)民等［15］研發(fā)的轉(zhuǎn)子潔能芯帶有中軸，可隨流體流動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，具有除垢、強(qiáng)化傳熱的效果，應(yīng)用到發(fā)電機(jī)組冷凝器改造，能達(dá)到10%的節(jié)水量。Tijing等［16］以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)橫截面為星型帶鰭狀突起［圖2（a）］的擾流元件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳熱效率提高了12%～51%，但是由于星型擾流元件占據(jù)了大量的管內(nèi)流通空間，致使管內(nèi)流體流通面積下降70%以上，引起的壓力降增加了286%～399%。Yakut等［17－18］研究了圓錐環(huán)擾流元件的強(qiáng)化傳熱效果、引起的壓力降增加以及渦流振幅的變化，發(fā)現(xiàn)隨著管內(nèi)圓錐環(huán)的間距減小，圓錐環(huán)引起的渦流衰減程度大幅減弱，傳熱效率隨之增強(qiáng)。

1.2.2 扭曲帶的變形

在典型扭曲帶的邊沿切出不同的深度，并向扭曲軸方向彎曲形成三角齒形扭曲帶［圖2（b）］，在相同扭距下，較典型扭曲帶強(qiáng)化傳熱效率增強(qiáng)了20%［19］。Murugesan等［20］在典型扭曲帶的邊沿切去部分，使扭曲帶形成不同的V形切口，實(shí)驗(yàn)表明較典型扭曲帶有更好的強(qiáng)化傳熱效果。在同一管內(nèi)，同一扭曲帶具有多個(gè)扭距、相同扭距的扭曲帶在軸向有轉(zhuǎn)角［21－22］（使管內(nèi)流體不斷分開(kāi)、匯合），扭曲帶上有圓孔［23］、開(kāi)裂［24］［圖2（c）］以及三角肋型擾流元件［25］的研究有相關(guān)研究報(bào)道。這些擾流元件均為典型扭曲帶的變形，它們產(chǎn)生的強(qiáng)化傳熱效果、引起壓力降增加以及與典型扭曲帶的比較也有相應(yīng)的研究報(bào)道［26－27］?？傮w來(lái)說(shuō)，這些變形的扭曲帶較典型的扭曲帶有更好的強(qiáng)化傳熱效果，但是由于其對(duì)管內(nèi)流體造成更多的阻礙使得壓力降增加也更高。

圖2 其他類(lèi)型擾流元件及擾流元件的組合

1.2.3 擾流元件的組合

Promvonge等［28］研究了圓錐環(huán)與扭曲帶的組合型擾流元件［圖2（d）］，與單獨(dú)使用扭曲帶或圓錐環(huán)相比，傳熱效率提高了4%～10%，而引起的壓力降也有明顯增加。扭曲帶與彈簧組合［圖2（e）］研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同的扭距下，組合使用兩種擾流元件有更好的強(qiáng)化傳熱效果［29］，同時(shí)也會(huì)使壓力降增加明顯。在同一管內(nèi)插入兩根［圖2（f）］、三根扭曲帶，使管內(nèi)流體形成同向或反向旋流的研究也有報(bào)道［30－31］。在相同的扭矩下，組合型的擾流元件較單獨(dú)使用一種擾流元件時(shí)，都有更好的強(qiáng)化傳熱效果，但由于占據(jù)了更大的管內(nèi)流體流通空間，導(dǎo)致引起的壓力降增加也更大。

以上國(guó)內(nèi)外研究都屬于在傳統(tǒng)的擾流元件基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)改變、組合，這類(lèi)擾流元件較傳統(tǒng)擾流元件均有更好的強(qiáng)化傳熱效果，但是它們制造、安裝與檢修更復(fù)雜，且機(jī)械強(qiáng)度也有所下降，同時(shí)較傳統(tǒng)擾流元件占用了更大的管內(nèi)流體流通面積，引起的壓力降增加更大，使其應(yīng)用范圍受到限制。

2 擾流元件的性能指標(biāo)

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于易于結(jié)垢的管內(nèi)物流，設(shè)計(jì)較高的壓降有利用換熱設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行。在系統(tǒng)泵功率能夠滿(mǎn)足一定壓降增加的條件下，管內(nèi)擾流元件的應(yīng)用可以降低管壁溫度、增強(qiáng)徑向擾流，從而實(shí)現(xiàn)換熱設(shè)備的適應(yīng)性改造（擴(kuò)能、防垢）。管內(nèi)擾流元件形式多樣，各自都有不同的強(qiáng)化傳熱與壓力降特性。很多研究者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到不同擾流元件對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化傳熱系數(shù)和摩擦因數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。如Smithberg等［32］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到加扭曲帶后換熱管傳熱系數(shù)與摩擦損失的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于普朗特?cái)?shù)（Pr）在0.7～10之間Re在200～100000之間的體系，可以用于工程實(shí)踐計(jì)算。Kumar等［33］研究了線(xiàn)圈型擾流元件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到Nu、Pr、Re及范寧摩擦因數(shù)之間的關(guān)系式，并發(fā)現(xiàn)擾流元件強(qiáng)化傳熱經(jīng)驗(yàn)公式與管徑及線(xiàn)圈本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)無(wú)關(guān)。Polley等［34］總結(jié)了前人研究結(jié)果，給出了管內(nèi)擾流元件的性能指標(biāo)與雷諾數(shù)的關(guān)系式，如式（1）和式（2）所示。

式中，J為傳熱因數(shù)；f為摩擦因數(shù)；x、y、a、b均為常數(shù)，均可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。以上關(guān)系式可以直觀(guān)地反映擾流元件對(duì)強(qiáng)化傳熱的貢獻(xiàn)以及引起的壓力降增加。

Manglik等研究了扭曲帶在層流［35］、過(guò)渡態(tài)及湍流［36］時(shí)對(duì)換熱管傳熱效率的影響，并得到相應(yīng)的Nu與摩擦因數(shù)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。Zimparov等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了波紋管與扭曲帶的組合，得到了傳熱系數(shù)［37］與摩擦因數(shù)［38］的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。Smith［6］在其著作中將管內(nèi)擾流元件的強(qiáng)化傳熱效果歸結(jié)到管內(nèi)擾流元件對(duì)膜傳熱系數(shù)增加比例，以及對(duì)摩擦因數(shù)增加比例，得到如表1所示的經(jīng)驗(yàn)公式。

表1中，H／dI為扭曲帶或彈簧沿中軸扭轉(zhuǎn)180°的長(zhǎng)度與管內(nèi)徑的比值；hIe／hI為有擾流元件與沒(méi)有擾流元件時(shí)管內(nèi)膜傳熱系數(shù)的比值；Cfe／Cf為有擾流元件與沒(méi)有擾流元件時(shí)管內(nèi)摩擦因數(shù)的比值。

表1 管內(nèi)擾流元件的強(qiáng)化傳熱與壓力降性能

對(duì)于不同的流體及換熱管，式（1）與式（2）的計(jì)算結(jié)果可以作為評(píng)價(jià)所選擾流元件性能的指標(biāo)。選擇擾流元件時(shí)，應(yīng)使hIe／hI盡可能大，而Cfe／Cf盡可能小，則擾流元件在達(dá)到最大強(qiáng)化傳熱效果的同時(shí)，引起的壓降損耗最小。

3 擾流元件的模擬分析

對(duì)于燃燒、高溫物流的換熱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)成本高、難度大，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件往往能達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)與操作條件的目的。同樣，在擾流元件的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常遇到蒸汽發(fā)生器、高溫廢熱回收的高溫高壓場(chǎng)合，此時(shí)，可忽略不易達(dá)到的高溫、高壓條件，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展常溫、低壓的冷模實(shí)驗(yàn)，并利用CFD模擬實(shí)驗(yàn)室不易達(dá)到的高溫高壓條件下擾流元件的性能。利用冷模實(shí)驗(yàn)與CFD模擬相結(jié)合的方式能使擾流元件的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化更合理，更接近實(shí)際。另外，利用CFD可以預(yù)測(cè)分析不同幾何構(gòu)造的擾流元件強(qiáng)化傳熱與引起壓力降增加的相互關(guān)系，使實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大縮短。

CFD模擬的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒，同時(shí)，燃燒輻射傳熱［39］、管內(nèi)流體層流、湍流［40］也有相應(yīng)的理論模型。Rahimi等［39］研究了利用彈簧擾流元件防止電廠(chǎng)蒸汽發(fā)生器換熱管爆裂（管壁溫度高出設(shè)計(jì)值60℃）的可行性，選擇直徑3mm、螺距14mm的擾流元件，模擬發(fā)現(xiàn)彈簧擾流元件的加入使傳熱速率提高了43%，有效降低了管壁溫度，但由于蒸汽發(fā)生器后接蒸汽透平裝置，在高溫下使用時(shí)擾流元件的斷裂碎片可能破壞蒸汽透平，所以實(shí)際應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)太高。

流體湍流狀態(tài)下，貫穿于整個(gè)管內(nèi)的完整扭曲帶由于引起高壓降而影響了其使用范圍，片段型扭曲帶則可以避免高壓降。Wang等［41］以空氣為介質(zhì)，模擬分析了片段型扭曲帶在管內(nèi)引起的渦流在扭帶片段空隙間消失的規(guī)律，給出了Re在10000～20200之間時(shí)，片段型扭曲帶的扭矩、紐帶片段轉(zhuǎn)角與紐帶片段間距的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍。Rahimi等［42］應(yīng)用CFD模擬分析了典型、鋸齒型、帶凹槽與打孔的扭曲帶，對(duì)各種擾流元件引起的管內(nèi)流體熱場(chǎng)分布進(jìn)行了比較，同時(shí)給出了管內(nèi)流體徑向速度矢量圖，對(duì)管內(nèi)擾流元件引起的徑向擾流效果給出了直觀(guān)、可視化的解釋。Shabanian等［43］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了空冷器管內(nèi)加入扭曲帶、鋸齒型扭曲帶和蝴蝶型擾流元件后引起魯塞爾數(shù)與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，并利用CFD對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，對(duì)引起這些變化的原因給出了形象、可視化的解釋。

4 結(jié) 論

本文作者單位已設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)管內(nèi)擾流元件，主要應(yīng)用在余熱鍋爐、易結(jié)垢管殼式換熱器及廢熱鍋爐煙管等場(chǎng)合。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，雖然管內(nèi)擾流元件型式多樣，但其強(qiáng)化傳熱的機(jī)理都是通過(guò)增強(qiáng)流體徑向旋流，增大管內(nèi)壁流體剪切力，破壞流體邊界層，使管內(nèi)膜傳熱系數(shù)增大。同時(shí)又以犧牲系統(tǒng)壓力降為代價(jià)，使管內(nèi)污垢沉積保持在低水平，減小管內(nèi)污垢熱阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可通過(guò)以下步驟選擇適宜的擾流元件。

（1）確定生產(chǎn)過(guò)程中管殼式換熱設(shè)備管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，層流與過(guò)渡態(tài)時(shí)首先考慮扭曲帶，湍流狀態(tài)下優(yōu)先考慮彈簧。

（2）通過(guò)CFD模擬、實(shí)驗(yàn)，分析不同扭距擾流元件強(qiáng)化傳熱效果與引起壓力降增加之間的關(guān)系，在滿(mǎn)足換熱設(shè)備新工藝要求的基礎(chǔ)上，選擇最大扭矩的擾流元件，以減小系統(tǒng)壓降損失。

（3）根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，確定擾流元件材質(zhì)，一般情況下，擾流元件選擇與換熱管相同材質(zhì)。

（4）當(dāng)換熱管內(nèi)流體為水、空氣、無(wú)腐蝕性溶液或氣相介質(zhì)，且流體內(nèi)含固相顆粒狀雜質(zhì)較少時(shí)，可以考慮非常規(guī)擾流元件，它們有更好的強(qiáng)化傳熱效果，同時(shí)由于占用了更大的管內(nèi)流通面積而產(chǎn)生更大的壓力降，機(jī)械強(qiáng)度也較低，在高溫、高壓或高速固體顆粒的沖刷下更易斷裂。所以，非常規(guī)擾流元件使用條件更苛刻。

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