馬石磊

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠(chǎng)，上海 200090)

0 概 述

在縱流殼程換熱器中，管束具有新型的支撐結(jié)構(gòu)，可使殼程流體由傳統(tǒng)的橫向流動(dòng)改變?yōu)榭v向流動(dòng)，因而強(qiáng)化了殼程傳熱。縱流殼程換熱器具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于化工、動(dòng)力及輕工等行業(yè)。在20世紀(jì)70年代，美國(guó)某石油公司首先開(kāi)發(fā)了縱流殼程折流桿換熱器，管束的核心部件是折流柵，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)折流桿布置位置的不同，折流柵可分為橫柵和縱柵，以某角度交錯(cuò)排列，對(duì)換熱管進(jìn)行固定，折流桿的直徑與相鄰兩換熱管的間隙幾乎相等[1]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)鄭州大學(xué)、華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)也開(kāi)展了縱流殼程換熱器的研究，對(duì)殼程的折流支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并廣泛投入了工業(yè)應(yīng)用[1]。

1 縱流殼程換熱器

縱流殼程換熱器具有消除管子振動(dòng)、改善殼程流動(dòng)、降低殼程阻力、增強(qiáng)管束剛性、便于清理、減輕結(jié)垢和提高傳熱效率等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。該類(lèi)換熱器適用于殼程高雷諾數(shù)或?qū)恿鳡顟B(tài)下的傳熱，也適用于殼程介質(zhì)為黏性流體的傳熱。主要應(yīng)用場(chǎng)合為：(1)天然氣領(lǐng)域中的氣氣換熱。因?yàn)槭强v流形式，在流量和流速較高的工況下，可防止管子振動(dòng)。(2)天然氣冷卻器?？v流可使殼程流動(dòng)均勻化，降低了壓降，節(jié)省能耗。(3)用于各種冷凝器，可改善殼程流動(dòng)狀態(tài)，提高冷凝效率。(4)廢熱鍋爐。可以減輕結(jié)垢和延長(zhǎng)使用周期。(5)釜式或虹吸式重沸器，用以增強(qiáng)其可靠性和減輕設(shè)備重量[2]。因?yàn)閾Q熱器內(nèi)流體的流動(dòng)和傳熱過(guò)程十分復(fù)雜，所以，對(duì)換熱器的研究和開(kāi)發(fā)，主要還是通過(guò)制作模型測(cè)得所需的數(shù)據(jù)，以獲得換熱器流體傳熱和流動(dòng)阻力的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。現(xiàn)以某電站工程項(xiàng)目中的換熱器為研究對(duì)象，對(duì)縱流試驗(yàn)樣機(jī)的殼程流動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，提出了殼程傳熱和流動(dòng)性能準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，并結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)該關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了校核，為縱流換熱器的熱工計(jì)算，提供參考。

目前，大多數(shù)縱流換熱器管束的支撐結(jié)構(gòu)多為折流桿型，圓柱形折流桿的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在設(shè)計(jì)縱流換熱器時(shí)，若采用圓柱形折流桿，將造成布管節(jié)距偏大，在殼程流量相同的情況下，殼程流體的流速偏低，殼程的傳熱膜系數(shù)也會(huì)相應(yīng)降低。鑒于此，換熱器的殼程折流支撐，可采用鋼條替代圓柱形折流桿，既可減小殼程布管間距，還可增強(qiáng)管束支撐強(qiáng)度?，F(xiàn)研究的縱流換熱器管束折流支掌結(jié)構(gòu)即為該種柵條式結(jié)構(gòu)，管束外圍設(shè)置折流圈來(lái)實(shí)現(xiàn)柵條的定位。

圖1 圓柱形折流桿的結(jié)構(gòu)

2 殼程的換熱系數(shù)

折流桿換熱器與傳統(tǒng)的折流板換熱器在管程傳熱性能上的差別不大，但在殼程上，折流桿換熱器用折流柵取代了折流板，將殼程流體由錯(cuò)流變?yōu)榭v向流動(dòng)。由2根折流桿和2根換熱管包圍形成每個(gè)單元流道，這樣的流道截面形狀決定了其后方流體的延展趨勢(shì)。高速流體橫向通過(guò)折流桿時(shí)，在折流桿表面形成邊界層，隨著雷諾數(shù)的增加，產(chǎn)生邊界層分離，在折流桿兩側(cè)發(fā)生漩渦脫離，形成渦街，如圖2所示。由于漩渦迅速形成，逐步分裂，并最終消失，從而增加了流體的湍流程度，強(qiáng)化了殼程傳熱。在折流桿換熱器的整個(gè)殼程內(nèi)，流體沿著管束方向作縱向平行流動(dòng)，殼程內(nèi)部沒(méi)有傳熱死區(qū)，整個(gè)管束的傳熱表面都得到有效利用，雖然內(nèi)部每一點(diǎn)的傳熱速率要低于弓形折流板換熱器內(nèi)的橫流區(qū)，但傳熱表面的有效利用彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。殼程流體的流動(dòng)在充分延展后，在經(jīng)過(guò)每個(gè)折流圈時(shí)，都會(huì)在其后方形成周期發(fā)展的渦街，同時(shí)，由于折流圈交錯(cuò)排布，渦街的分布也交錯(cuò)變化，渦街不斷發(fā)展和交替變化使管子外表面的邊界層減薄、脫離或完全消失，邊界層不能持久地穩(wěn)定，使管側(cè)和殼側(cè)之間傳遞熱量的阻力減小，強(qiáng)化了傳熱，且縱向流提高了傳熱面積的有效利用率，在流速較高的情況下，相比與傳統(tǒng)的折流板換熱器，折流桿換熱器具有更高的殼程傳熱系數(shù)。

圖2 流體繞過(guò)折流桿時(shí)的狀態(tài)

折流桿換熱器是典型的縱流殼程換熱器，從首創(chuàng)至今，對(duì)殼程傳熱系數(shù)方面的計(jì)算，具有多種多樣的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。現(xiàn)列舉幾種典型計(jì)算關(guān)聯(lián)式，為后續(xù)研究作參考[1]。

2.1 鄭州大學(xué)熱能工程研究中心的計(jì)算關(guān)聯(lián)式

在研究傳熱性能時(shí)，通常將影響因素歸納成幾個(gè)無(wú)因次特征數(shù)，然后將折流桿換熱器殼程傳熱系數(shù)，表示為這些特征數(shù)的關(guān)聯(lián)式。計(jì)算關(guān)聯(lián)式為：

Nu=AhRea1Pra2(Lb/de)a3(Lt/Di)a4(μ/μw)a5

(1)

在式(1)中：Nu—努塞爾數(shù)，Nu=αde/λ；

Re—雷諾數(shù)，Re=deusρ/μ；

Pr—普朗特?cái)?shù)，Pr=cpμ/λ；

Lb—折流柵間距；

de—?dú)こ坍?dāng)量直徑；

Lt/Di—管束長(zhǎng)徑比；

μ—流體在主體溫度下的黏度；

μw—流體在壁面溫度下的黏度；

Ah—系數(shù)；

a1，a2，a3，a4，a5—待定指數(shù)。

2.2 美國(guó)某石油公司的計(jì)算關(guān)聯(lián)式

(1)層流流動(dòng)

(2)湍流流動(dòng)

(3)系數(shù)的計(jì)算

在層流和湍流情況下的幾何系數(shù)CL、CT，根據(jù)管束幾何函數(shù)Cl、Ct、入口效應(yīng)參數(shù)ξl、ξt、以及管子表面函數(shù)Csl和Cst進(jìn)行定義。

CL=CslClξl

CT=CstCtξt

管束幾何函數(shù)Cl、Ct，是折流圈間距Lb和管束泄露面積與殼程流通面積之比Al/As的指數(shù)函數(shù)。

層流時(shí)：

Cl=Ct0+(Ct0-Ct∞)exp(-0.00615)Lb

Ct∞=0.182-0.172λ

Ct0-Ct∞=0.120-0.533λ

湍流時(shí)：

Ct=Ct∞+(Ct0-Ct∞)exp(-0.00496)Lb

Ct∞=0.042-0.0417λ

Ct0-Ct∞=0.023-0.0117λ

折算變量λ的定義式為：

λ=[(Al/As)+0.1]0.5

殼程流通面積As、折流柵流通面積Ab以及泄露面積Al為：

(2)

(3)

(4)

在式(2)～式(4)中：Ds—?dú)んw直徑，m；

Dt—管外徑，m；

Do—管束外層管子的布管圓直徑，m；

Dbo—折流圈外徑，m；

Dbi—折流圈內(nèi)徑，m；

nt—管子數(shù)量；

Lr—管長(zhǎng)，m。

2.3 華南理工大學(xué)化機(jī)所的計(jì)算關(guān)聯(lián)式

(1)層流流動(dòng)

(5)

(2)湍流流動(dòng)

(6)

在式(5)～式(6)中：

Gi，G4—流道結(jié)構(gòu)幾何因子，與折流桿換熱器的幾何尺寸有關(guān)；

Cd—流體阻力系數(shù)；

φ—摩擦阻力系數(shù)；

ro—流道當(dāng)量半徑；

Pr—普朗特?cái)?shù)；

Prt—湍流普朗特?cái)?shù)；

K1,K2,K3,Z—系數(shù)。

2.4 華中科技大學(xué)的計(jì)算關(guān)聯(lián)式

(1)Re<3600時(shí)

Nu=fwNu1

(7)

在式(7)中：

fw=f1f2f3

(8)

f2=1-(Ab/As)+0.85837(Ab/As)-0.031

(9)

f3=1+0.1138exp[-0.01022(Lb/Dbo-1)2]

(10)

在式(8)～式(10)中：

As—?dú)こ套畲罅魍ń孛娣e，m2；

Ab—?dú)こ套钚×魍ń孛娣e，m2；

Dbo—折流圈外徑，m；

Lb—折流圈間距，m；

nb—折流圈數(shù)目；

μ—流體在主體壁溫下的黏度；

μw—流體在壁面溫度下黏度。

(2)Re≥3600時(shí)

Nu=ΦwNu2

(11)

在式(11)中：

Φw=Φ1Φ2Φ3

Φ2=0.96-0.062(0.1+Ab/As)0.6

Φ3=0.4951+1.2488[-0.01659(Lb/dbo-1)2.5]

2.5 預(yù)測(cè)某型換熱器的計(jì)算關(guān)聯(lián)式

綜合考慮上述折流桿式的縱流殼程換熱器換熱公式后，并對(duì)照換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)中所列的Donohue法[3]，得到某型柵條式縱流換熱器的殼程換熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式為：

(12)

在式(12)中：A0、A1、A3、A4—待定系數(shù)；

Lb—折流圈間距，m；

ds—?dú)こ坍?dāng)量直徑。

3 殼程的換熱性能及試驗(yàn)

為了驗(yàn)證柵條式縱流換熱器殼程換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性，制造了相應(yīng)的縱流殼程試驗(yàn)樣機(jī)，欲通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)樣機(jī)的折流支撐與布管形式均與原型機(jī)相同，試驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)和系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)的布置，如圖3所示。換熱性能試驗(yàn)包括了汽水換熱試驗(yàn)及水水換熱試驗(yàn)，殼程流體為蒸汽時(shí)，Re約為20 000～90 000。殼程流體為水時(shí)，Re約為11 000～70 000。殼程Re的取值范圍，均覆蓋實(shí)際產(chǎn)品的工況參數(shù)。

圖3換熱性能試驗(yàn)樣機(jī)和系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)汽水和水水換熱試驗(yàn)后，獲得了柵條式縱流換熱器換熱性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與擬合公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示二者匹配程度較好，可為該型縱流換熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算，提供參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)匯總，列出了傳統(tǒng)圓柱形折流桿換熱器的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中Donohue公式，提出了適用于柵條式縱流換熱器的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。

針對(duì)某型換熱器原型，設(shè)計(jì)并制造了相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，經(jīng)汽水換熱試驗(yàn)和水水換熱試驗(yàn)后，獲得了相關(guān)數(shù)據(jù)，并擬合了殼程換熱的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。通過(guò)對(duì)比和驗(yàn)證，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與擬合后關(guān)聯(lián)式的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合，表明擬合后的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，可用于柵條式縱流殼程換熱器的設(shè)計(jì)和計(jì)算。