非軸對(duì)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(duì)稱截面換熱管是一種新型高效強(qiáng)化傳熱管型，非軸對(duì)稱截面換熱管是在軸對(duì)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(duì)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(duì)于誘導(dǎo)振動(dòng)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(duì)稱截面換熱管在管殼式換熱器中的傳熱性能為研究對(duì)象，主要與傳統(tǒng)型管式換熱器做對(duì)比開展以下研究。

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

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

我國(guó)目前的石化行業(yè)處于比較緊張的局勢(shì)，熱交換設(shè)備支出占到國(guó)內(nèi)總投資的30%以上，其中普通對(duì)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)和基礎(chǔ)實(shí)力的缺乏很大程度上對(duì)于非軸對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)圓或橢圓形，螺旋狀扭曲延伸至長(zhǎng)度方向的一種換熱管型，其截面中心軸線為一直線。非軸對(duì)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(duì)稱截面換熱管傳熱性能，在管殼式換熱器殼體中，非軸對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)，主要以兩個(gè)方向的流動(dòng)為主，一個(gè)是縱向的主流方向流動(dòng)，還有與主流方向垂直的二次流動(dòng)，二次流動(dòng)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(dòng)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(dòng)的傳熱效果更好。

（2）非軸對(duì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)，不斷改變流動(dòng)方向和速度，流體運(yùn)動(dòng)至螺旋線接觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)大量脫離管子外壁的尾流，這樣就會(huì)通過增加流體的擾動(dòng)性來使殼程流體傳熱率更有效。

（3）在傳熱效能方面非軸對(duì)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(duì)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(dòng)阻力相對(duì)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(duì)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(dòng)周期性地改變流動(dòng)方向，所以殼程流體的擾動(dòng)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(duì)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(duì)稱截面換熱管緊密分布的管束對(duì)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(zhǎng)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(dòng)死區(qū)的同時(shí)通過湍動(dòng)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(duì)非軸對(duì)稱截面換熱管換熱器的管程和殼程流體模擬測(cè)試，對(duì)比兩者管程及殼程的流場(chǎng)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(duì)傳熱效果、流阻性能之間的影響關(guān)系。結(jié)果顯示，非軸對(duì)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(duì)非軸對(duì)稱截面換熱管選擇時(shí)要綜合考慮其對(duì)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(duì)較好，而對(duì)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(duì)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(duì)比起來的綜合性能最好[5]，所以，非軸對(duì)稱截面換熱管換熱器對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)基本上是沿管束平行流通，所以可將殼程流體的流動(dòng)看作非圓形直管的管內(nèi)流動(dòng)，非軸對(duì)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(huì)引起流動(dòng)死區(qū)或者震動(dòng)等問題。對(duì)于一些特殊類型的非軸對(duì)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(duì)稱截面換熱管壁面處得到改善，非軸對(duì)稱截面換熱管換熱器的殼程實(shí)際結(jié)構(gòu)是非軸對(duì)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(duì)稱截面換熱管周圍引起的殼程流體與相鄰的多根非軸對(duì)稱截面換熱管周圍引起的殼程流體可以互相擾動(dòng)，總而言之，非軸對(duì)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(duì)稱截面換熱管換熱器由于強(qiáng)化傳熱特點(diǎn)而備受社會(huì)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]。

參考文獻(xiàn)

[l] 史美文，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].2版.南京：東南大學(xué)出版社，1998.

[2] GB/T151-2014.熱交換器[S].2014.

[3] 宋丹，蹇江海，張迎愷.扭曲管雙殼程換熱器的研究及性能分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2012（5）：1-3.

[4] 錢頌文，方江敏，江楠.扭曲管與混合管束換熱器[J].化工設(shè)備與管道，2000（2）.

[5] 劉慶亮，楊蕾，朱冬生.扭曲管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱模擬分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31（6）：19-22，28.

[6] 譚祥輝，孫赫，張立振，等.扭曲橢圓管換熱器的殼程強(qiáng)化傳熱特性[J].化工學(xué)報(bào)，2012（3）.

[7] 王維，鄧群英.熱能與動(dòng)力工程在鍋爐應(yīng)用中的問題分析[J].好家長(zhǎng)，2017（49）：247.