朱凌云 周幗彥 朱冬生

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

換熱器是一種熱量傳遞設(shè)備，廣泛應(yīng)用在化工、動(dòng)力、食品、煉油及其他工業(yè)領(lǐng)域[1]?？v流殼程換熱器采用與傳統(tǒng)折流板換熱器不同的殼程結(jié)構(gòu)，使殼程流體由錯(cuò)流變?yōu)榭v向流動(dòng)，因而具有傳熱系數(shù)高、壓降小、重量輕、抗振動(dòng)以及節(jié)省材料等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前被廣泛研究與應(yīng)用的一種新型管殼式換熱器[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，縱流殼程換熱器流動(dòng)與傳熱研究都以實(shí)驗(yàn)為主，在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，擬合出流動(dòng)與傳熱的相關(guān)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、數(shù)值傳熱學(xué)(NHT)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法憑借耗資少、周期短及重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)成為換熱器研究的一種重要手段，許多CFD商業(yè)軟件的出現(xiàn)進(jìn)一步拓寬了數(shù)值模擬的使用范圍[3]。

1 縱流殼程換熱器殼程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

縱流殼程換熱器是指在縱流式管束支撐物所產(chǎn)生的自由流道使殼程流體呈縱向流動(dòng)，可用于需要強(qiáng)化殼程傳熱的熱力過(guò)程，為化工、動(dòng)力及輕工等行業(yè)提供高效節(jié)能的換熱產(chǎn)品。

1.1 折流桿換熱器

20世紀(jì)70年代，美國(guó)菲利浦(Phillips)石油公司首先開(kāi)發(fā)出殼程流體縱向流動(dòng)的折流桿換熱器[4]。折流柵作為該換熱器的核心部件，主要由折流桿、折流圈、交叉支撐條、分程隔板和縱向滑桿組成。根據(jù)折流桿位置的不同，折流柵可分為橫柵和縱柵，并以一定角度交錯(cuò)排列，折流桿的直徑與相鄰兩換熱管間隙幾乎相等，對(duì)換熱管進(jìn)行固定。隨著對(duì)折流桿換熱器的深入研究，為了進(jìn)一步提高折流桿換熱器傳熱和抗振性能，隨后出現(xiàn)了橢圓桿形折流桿和波形折流桿[5]。

1.2 整圓形孔板式

最早的整圓形孔板換熱器采用大圓孔折流板支撐，即板上不開(kāi)缺口而開(kāi)有比管徑大的圓孔[6]。殼程流體從該圓孔通過(guò)，呈縱向流動(dòng)，可以起到強(qiáng)化傳熱的作用，同時(shí)降低殼側(cè)壓降。隨后開(kāi)發(fā)了小圓孔折流板，其板上除了開(kāi)與換熱管外徑相等的孔外，還開(kāi)有小圓孔，讓殼程流體通過(guò)。后續(xù)接著開(kāi)發(fā)了異形孔折流板，如網(wǎng)狀孔、梅花孔及矩形孔等。近年來(lái)，又出現(xiàn)新型的三葉孔整圓形支撐板換熱器，在支撐板上開(kāi)有三葉孔，一方面讓換熱管穿過(guò)，起支撐作用，另一方面讓殼程流體通過(guò)，由于流道面積變小，殼程流體流過(guò)時(shí)形成射流，起到強(qiáng)化傳熱效果。三葉孔換熱器憑借其良好的傳熱及壓降性能，廣泛地應(yīng)用在核電行業(yè)中。

1.3 空心環(huán)、旋流片支撐式

空心環(huán)是用直徑較小的鋼管截成短節(jié)，均勻分布在換熱管之間的同一截面上形成的一組支撐結(jié)構(gòu)。旋流片由寬度很窄的金屬薄片扭制而成，旋流片裝在換熱管之間，既能支撐管束，又能對(duì)殼程流體起到旋流作用[7]。

1.4 管束自支撐式

隨著殼程支撐趨于簡(jiǎn)單化，后來(lái)出現(xiàn)了殼程不需要支撐物，即管束自支撐。目前，已知的管束自支撐形式有刺孔膜片式、扭曲橢圓管式和變截面管式。刺孔膜片是把每根換熱管上下兩側(cè)相距180°開(kāi)了溝槽，內(nèi)中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片，刺孔膜片既是支撐元件，同時(shí)又延伸了管壁，增大了有效傳熱面積；扭曲橢圓管是由圓管軋制或者橢圓管扭曲而成的，在殼程內(nèi)靠相鄰管突出處的點(diǎn)接觸支撐換熱管，從而不需要折流板；變截面管是將普通圓管用機(jī)械方法相隔一定節(jié)距軋制成互為90°(正方形布管)或60°(三角形布管)的扁管形截面，利用換熱管扁圓形截面的突出部位相互支撐。

2 傳熱及力性能

2.1 傳熱性能

折流桿換熱器與傳統(tǒng)的折流板換熱器相比管程傳熱變化不大，殼程中，折流柵取代了折流板，將流體流動(dòng)變?yōu)榭v向流動(dòng)，流體流過(guò)折流桿時(shí)產(chǎn)生漩渦脫落和折流圈處的文丘里效應(yīng)，在后面產(chǎn)生尾流，增強(qiáng)了流體湍流程度，從而強(qiáng)化了傳熱；流體流過(guò)折流桿時(shí)，速度增加，對(duì)管壁有沖刷作用，從而減薄了管外流體邊界層，既提高了傳熱系數(shù)，又可以除去污垢；折流桿與換熱管接觸面積少，可以充分利用傳熱面積，減少傳熱死區(qū)。與弓形折流板相比，折流桿換熱器傳熱強(qiáng)化達(dá)1.3～2.4倍[8]。

整圓形孔板對(duì)殼程傳熱性能的主要影響是射流作用。支撐板處的流通面積較小，當(dāng)流體通過(guò)管孔與管壁之間的異形孔通道時(shí)，形成射流作用，射流的流體速度很高，直接沖刷管壁，既可以減薄管壁流體邊界層，減小熱阻，又可以除去污垢，并且流體離開(kāi)孔板后，會(huì)對(duì)周?chē)黧w產(chǎn)生卷吸作用，因此，在較低的雷諾數(shù)下，殼程流體即可達(dá)到局部湍流，從而起到強(qiáng)化傳熱作用。開(kāi)孔形狀直接影響殼程流體傳熱性能，另外，開(kāi)孔率、開(kāi)孔位置及支撐板厚度、跨距對(duì)強(qiáng)化傳熱效果都有影響。實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果證明[9～10]，梅花孔板傳熱效果最好，且在支撐板跨距為50mm時(shí)效果最佳，其傳熱系數(shù)為矩形孔板的1.6倍。吳金星等為了提高換熱器在低雷諾數(shù)下的傳熱效率，開(kāi)發(fā)了花瓣孔板支撐，建立了花瓣孔板換熱器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图把b置[11]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在雷諾數(shù)Re=1900～7500范圍內(nèi)，花瓣孔換熱器比折流桿換熱器的總傳熱系數(shù)平均提高約40%，但壓降稍大，適合低雷諾數(shù)的工況。

空心環(huán)管間支撐物的空隙率很大，對(duì)殼程軸向流體的阻力極小，可充分利用強(qiáng)化管的粗糙肋面促進(jìn)傳熱界面上流體滯流底層的湍流度，有效降低傳熱熱阻，提高傳熱系數(shù)；旋流片可以使殼程流體做三維螺旋運(yùn)動(dòng)，破壞流體邊界層，從而強(qiáng)化傳熱，旋流片的換熱效果優(yōu)于空心環(huán)。

刺孔膜片上的小孔和毛刺增大了流體的湍動(dòng)程度，減薄流體邊界層；扭曲橢圓管由于換熱管扭曲，使流體流過(guò)時(shí)產(chǎn)生二次流，改變速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布，減小了速度矢量與溫度梯度之間的夾角。譚祥輝等搭建了扭曲橢圓管換熱器測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，扭曲橢圓管換熱器既強(qiáng)化了傳熱，也減小了殼程壓降，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擬合得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)[12～14]。盤(pán)彩美等采用一個(gè)節(jié)距內(nèi)7根管子相互支撐排列組成的模型，對(duì)扭曲橢圓管換熱器的殼程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析相同雷諾數(shù)下，節(jié)距對(duì)傳熱性能和壓降的影響[15]。

2.2 阻力性能

折流桿換熱器與傳統(tǒng)弓形折流板換熱器相比，由于殼程流體縱向沖刷管束，不存在管束錯(cuò)流阻力，故殼程壓降較小，約為弓形折流板的1/4，殼程壓降主要有兩部分：流體與管壁之間的摩擦阻力和流體沖擊折流桿所造成的動(dòng)量損失。由于殼程沖刷力小，折流桿換熱器在大多數(shù)情況下能抵抗流體誘導(dǎo)振動(dòng)，但在殼程流速很大時(shí)仍可能發(fā)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)。因此，嚴(yán)良文等提出了新型抗振折流桿元件——波形折流桿，實(shí)驗(yàn)表明，波形折流桿在低雷諾數(shù)下克服湍流擾動(dòng)不足，在高雷諾數(shù)下防止流體誘導(dǎo)振動(dòng)，適用范圍很廣[16～18]。

整圓形孔板根據(jù)開(kāi)孔形狀不同，其殼程阻力性能也有所差異。與大圓孔板相比，小圓孔板雖然改善了對(duì)管束的支撐，但其流通面積太小，因而阻力比大圓孔大，導(dǎo)致綜合性能不如大圓孔板；矩形孔板與梅花形孔板雖然殼程阻力沒(méi)有小圓孔板大且對(duì)管束支撐也較好，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，實(shí)際工程中應(yīng)用較少?？傮w而言，整圓形孔板存在少量的傳熱死區(qū)，殼程壓降也比折流桿換熱器有所增加。

據(jù)相關(guān)報(bào)道，相同情況下，空心環(huán)支撐結(jié)構(gòu)比折流桿殼程壓降更小，但對(duì)流體的擾動(dòng)作用沒(méi)有折流桿好[19]。鄧先和等用實(shí)驗(yàn)證明，相同情況下，旋流片換熱效果優(yōu)于空心環(huán)，但小扭率的旋流片會(huì)導(dǎo)致壓降迅速增大，其綜合傳熱性能反而不如空心環(huán)[7，20]。

刺孔膜片和扭曲橢圓管殼程流體阻力幾乎全部是液體的粘性力，因此，殼程壓降比折流桿換熱器有所降低。

3 歸納分析

根據(jù)上述分析，根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，筆者總結(jié)了幾種縱流殼程換熱器的計(jì)算關(guān)系式[21～26]。

3.1 傳熱計(jì)算

3.1.1折流桿式

Philips石油公司計(jì)算式：

鄭州大學(xué)節(jié)能中心計(jì)算式：

華南理工大學(xué)化機(jī)所計(jì)算式：

3.1.2整圓形孔板式

矩形孔板計(jì)算式：

花瓣孔板計(jì)算式：

支撐板間距B=90，1900

梅花孔板計(jì)算式：

支撐板間距L=100，Nu=0.1323Re0.61447

3.1.3管束自支撐式

3.2 壓降計(jì)算

3.2.1折流桿式

Philips石油公司計(jì)算式：

鄭州大學(xué)節(jié)能中心計(jì)算式：

華南理工大學(xué)化機(jī)所計(jì)算式：

3.2.2整圓形孔板式

矩形孔板計(jì)算式：

3.2.3管束自支撐式

扭曲橢圓管：

1000

8000

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，縱流換熱器殼程支撐結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單，直至不需要支撐，將殼程流動(dòng)變?yōu)榭v向流，提高了殼程的綜合傳熱性能，同時(shí)抗振、抗垢能力也得到加強(qiáng)，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，投資也跟著降低。隨著強(qiáng)化傳熱的發(fā)展，復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)越來(lái)越成熟，如將扭曲橢圓管中光管用翅片管代替?？v流殼程換熱器與強(qiáng)化管的復(fù)合使用將是今后的發(fā)展方向。

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