劉世杰，莫遜，涂愛民，朱冬生，譚連元

（1 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4 佛山市步鹿節(jié)能科技有限公司，廣東 佛山 528000）

潤滑油冷卻器廣泛應(yīng)用于船舶、機(jī)械、能源動(dòng)力等領(lǐng)域，由于潤滑油黏度大，殼程處于低雷諾數(shù)（）工況，傳熱系數(shù)低，因此開發(fā)高效換熱器是實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能的重要途徑之一。目前絕大多數(shù)廠家依然沿用傳統(tǒng)折流板油冷卻器，潤滑油橫向沖刷管束，存在流動(dòng)死區(qū)，殼程傳熱比壓降值（/Δ）低，換熱器整體效率差。張正國等采用螺旋折流板結(jié)合花瓣管的油冷卻器獲得了良好的強(qiáng)化傳熱效果，但因制造與安裝復(fù)雜，一定程度上限制了其推廣應(yīng)用?？v流換熱器擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，殼程流體平行于管束流動(dòng)，與管內(nèi)流體純逆流換熱，抗振性強(qiáng)，無死區(qū)，是對傳統(tǒng)折流板換熱器的一次升級(jí)換代。國內(nèi)外學(xué)者對縱流換熱器展開了大量研究，包括折流桿換熱器、空心環(huán)換熱器和扭曲橢圓管換熱器，表明縱流換熱器具有很高的/Δ值。然而，當(dāng)前文獻(xiàn)中報(bào)道的縱流換熱器普遍存在殼程空隙率大的問題，在低工況下，流體擾動(dòng)不足，換熱效果不佳。如需提高殼側(cè)換熱性能，只能通過增大長徑比或采用多殼程的結(jié)構(gòu)，這在實(shí)際應(yīng)用中受到限制，尤其無法滿足船舶等受限空間內(nèi)冷卻需求。王定標(biāo)等在扭曲橢圓管的基礎(chǔ)上提出了一種新型扭曲三葉管，并對兩者管內(nèi)傳熱與壓降性能進(jìn)行了對比，研究發(fā)現(xiàn)，扭曲三葉管比扭曲橢圓管具有更好的傳熱性能。劉遵超等利用Fluent軟件對超臨界CO在扭曲三葉管內(nèi)的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究流動(dòng)方向、進(jìn)口、壁面熱通量等參數(shù)的變化對局部對流換熱系數(shù)的影響。黃媛媛等將扭曲三葉管應(yīng)用于油冷卻器的換熱過程，對扭曲三葉管換熱器傳熱性能進(jìn)行了初步分析，但未給出扭曲三葉管換熱器相關(guān)的換熱系數(shù)、壓降值和準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。Tang 等、劉世杰等以水為介質(zhì)，在湍流范圍內(nèi)對扭曲三葉管管內(nèi)外的傳熱與壓降性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬分析。戴險(xiǎn)峰數(shù)值模擬研究了非對稱扭曲三葉管管內(nèi)流動(dòng)與傳熱特性，并與對稱扭曲三葉管和扭曲橢圓管進(jìn)行了對比，結(jié)果表明在相同泵功率下，非對稱螺旋扭曲管在低下顯示出較優(yōu)的性能。

目前，對扭曲三葉管換熱器的研究還不夠充分，尤其對其殼程強(qiáng)化傳熱性能的工作報(bào)道較少。針對縱流換熱器在殼程低工況下?lián)Q熱效率差的問題，本文提出高黏度流體在縱流換熱器殼程三維變空間強(qiáng)化傳熱的方案，構(gòu)造殼程無隔板低空隙率的扭曲三葉管油冷卻器，對其殼程傳熱與阻力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與扭曲橢圓管油冷卻器和傳統(tǒng)折流板油冷卻器進(jìn)行對比分析，所得結(jié)論可為高效油冷卻器的開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖1為扭曲三葉管和扭曲橢圓管的結(jié)構(gòu)，兩種換熱管均由10mm×1mm、長度=700mm的光滑銅管加工制成。扭曲三葉管的截面為三葉狀，由3個(gè)1/2橢圓及3個(gè)1/6圓弧構(gòu)成，相鄰橢圓由圓弧連接過渡。本實(shí)驗(yàn)用扭曲三葉管的特征參數(shù)包括螺距=80mm、內(nèi)切圓直徑=1mm、過渡圓弧直徑=6mm。扭曲橢圓管的特征參數(shù)包括螺距=80mm、長軸=12mm、短軸=8mm。

圖1 兩種換熱管結(jié)構(gòu)

表1 為3 臺(tái)油冷卻器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，3 臺(tái)油冷卻器的結(jié)構(gòu)型式均為單殼程雙管程。其中兩臺(tái)縱流油冷卻器殼程不設(shè)折流板，換熱管束形成多點(diǎn)接觸，實(shí)現(xiàn)了可靠的自支撐。為避免漏流而影響換熱效率，殼程設(shè)計(jì)了防漏擋板和導(dǎo)流筒，兩臺(tái)縱流油冷卻器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兩臺(tái)縱流油冷卻器結(jié)構(gòu)

表1 3臺(tái)油冷卻器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 和圖4 為油冷卻器性能測試實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置主要由4部分組成，包括油冷卻器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和兩個(gè)獨(dú)立的介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。高溫油回路包括一個(gè)帶有溫度控制系統(tǒng)的油箱、油泵、油流量計(jì)和閥門。為了保證油溫的均勻性，油首先在油泵的作用下進(jìn)行自循環(huán)，當(dāng)預(yù)熱到設(shè)定油溫且溫度波動(dòng)小于0.15℃時(shí)，將油泵入換熱器殼程，油流量通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。冷卻水回路由水箱、水泵、流量計(jì)和閥門組成。冷卻水流過油冷卻器管程，吸收由高溫油所釋放的熱量，然后通過外部冷卻塔降溫后再重新回到水箱。實(shí)驗(yàn)中測量的參數(shù)包括油溫、水溫、油流量、水流量和殼側(cè)壓降。油和冷卻水的溫度由Pt100 溫度計(jì)測量，流量通過電磁流量計(jì)測量，殼程的壓降由差壓變送器測量，所有測量數(shù)據(jù)都由自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。電磁流量計(jì)、溫度計(jì)和差壓變送器的精度分別為±0.5%、±0.15℃和±0.2%。在測試過程中，管程水流量設(shè)置為恒定值4m/h，管程冷卻水處于湍流區(qū)，殼程油流量變化范圍為0.63～3.6kg/s。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行掃描，連續(xù)兩次讀數(shù)之間間隔5s，取2min 內(nèi)的算術(shù)平均值作為該測試點(diǎn)的值。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置流程

圖4 實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場圖片

2 數(shù)據(jù)處理方法

在所有實(shí)驗(yàn)中，油側(cè)和水側(cè)的換熱量差值應(yīng)在±5.0%以下，能量平衡方程如式(1)～式(4)。

實(shí)驗(yàn)中采用的潤滑油牌號(hào)為32，在實(shí)驗(yàn)工況下，殼程進(jìn)出口油溫最大溫差小于5℃，油品的黏度、密度等物性參數(shù)變化不大，采用實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值作為計(jì)算物性參數(shù)的參考溫度。

總傳熱系數(shù)計(jì)算如式(5)～式(7)。

實(shí)驗(yàn)用管為新加工，可不計(jì)污垢熱阻，基于外表面積的總換熱系數(shù)如式(8)。

式(9)和式(10)分別為扭曲橢圓管和扭曲三葉管管內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算公式，圓管管內(nèi)傳熱系數(shù)采用經(jīng)典Dittus-Boelter公式［式(11)］。

將上述方程代入式(8)可以計(jì)算獲得殼程傳熱系數(shù)，和的計(jì)算方法如式(12)～式(16)。

實(shí)驗(yàn)誤差采用Moffat給出的方法估計(jì)，采用式(17)、式(18)分別計(jì)算的測量誤差，實(shí)驗(yàn)參數(shù)的誤差見表2。經(jīng)過計(jì)算，油側(cè)和的最大誤差分別為±6.20%和±2.51%。

表2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

3 結(jié)果與討論

圖5 為3 臺(tái)油冷卻器的總換熱系數(shù)隨油質(zhì)量流量的變化曲線。3臺(tái)油冷卻器的總傳熱系數(shù)均隨著油流量的增加而增大，其中扭曲三葉管油冷卻器的總換熱系數(shù)最大，其次為傳統(tǒng)折流板油冷卻器，扭曲管油冷卻器最小，證明了本文設(shè)計(jì)的新型扭曲三葉管油冷卻器克服了當(dāng)前文獻(xiàn)中報(bào)道的縱流換熱器對高黏度流體和低傳熱不佳的問題。董其伍等和Wang 等指出在低下區(qū)域內(nèi)，折流桿換熱器的殼程傳熱系數(shù)低于折流板換熱器。董新宇等以高黏度導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)，研究表明，相同下，扭曲管換熱器殼程要小于折流板換熱器。在相同油流量下，扭曲三葉管油冷卻器總換熱系數(shù)比傳統(tǒng)折流板油冷卻器提高134.1%～167.5%，扭曲管油冷卻器總換熱系數(shù)比傳統(tǒng)折流板油冷卻器低22.0%～38.6%，這表明扭曲三葉管油冷卻器在相同換熱面積和設(shè)備外形尺寸下，擁有更優(yōu)越的散熱性能。

圖5 總換熱系數(shù)隨油質(zhì)量流量的變化

圖6 為3 臺(tái)油冷卻器的殼程傳熱系數(shù)隨油質(zhì)量流量的變化曲線。3臺(tái)油冷卻器的殼程傳熱系數(shù)均隨著油流量的增加而增大，其中扭曲三葉管油冷卻器增長趨勢最大。對比圖5 發(fā)現(xiàn)，3 臺(tái)油冷卻器殼側(cè)傳熱系數(shù)與總換熱系數(shù)的增長趨勢一致，表明盡管采用了強(qiáng)化傳熱元件，油冷卻器的控制熱阻仍在油側(cè)。在相同油流量下，扭曲三葉管油冷卻器殼程傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)折流板油冷卻器提高138.7%～190.5%，扭曲橢圓管油冷卻器殼程傳熱系數(shù)則比傳統(tǒng)折流板油冷卻器降低25.8%～40.1%。這是因?yàn)閾Q熱器殼程的流動(dòng)形態(tài)主要分為橫向流、斜向流和縱向流。扭曲三葉管和扭曲橢圓管油冷卻器殼程不設(shè)折流板，流體主要為沿著管束的縱流流動(dòng)，而折流板油冷卻器殼程流體為橫向沖刷管束。從傳熱學(xué)原理可知，在相同流速下，橫向沖刷可獲得最大的傳熱系數(shù)。這是因?yàn)榱黧w橫向沖刷管束時(shí)，流體直接沖擊換熱表面，換熱邊界層薄且存在由于邊界層分離而產(chǎn)生的旋渦，傳熱系數(shù)高。而流體縱向沖刷管束時(shí)，相當(dāng)于外掠平板的流動(dòng)，擾動(dòng)小，熱邊界層厚且不易破壞，傳熱系數(shù)低。

圖6 殼程傳熱系數(shù)隨油質(zhì)量流量的變化

扭曲三葉管油冷卻器殼程強(qiáng)化換熱的原因分析如下。首先扭曲三葉管油冷卻器實(shí)現(xiàn)了殼程變空間強(qiáng)化傳熱，扭曲三葉管和扭曲橢圓管通過自身的變形實(shí)現(xiàn)管束的自支撐和對換熱器管殼程空間的調(diào)節(jié)，扭曲三葉管油冷卻器殼程空隙率更低，僅為扭曲橢圓管油冷卻器的54.7%，因此通過變空間縱流設(shè)計(jì)，可以在不顯著增加壓降的情況下，提高油側(cè)流速，增強(qiáng)湍流強(qiáng)度。另一方面，扭曲三葉管擁有更復(fù)雜的三葉狀截面，殼程流體在扭曲三葉管表面因變曲面法向應(yīng)力差引起流線彎曲，產(chǎn)生的二次流促進(jìn)了近壁處流體的分離和渦旋。再一方面，扭曲三葉管束形成的螺旋通道，使殼程流體呈現(xiàn)為三維縱向螺旋流動(dòng)，從而產(chǎn)生離心力效應(yīng)，激發(fā)出管間流體核心區(qū)的二次流，增加了流體的徑向混合和擾動(dòng)。通過這三方面的共同作用，實(shí)現(xiàn)了高黏度流體在扭曲三葉管管束外的變空間變流場耦合強(qiáng)化傳熱。而扭曲橢圓管油冷卻器殼程空隙率大，殼程油流速低，曲率效應(yīng)和離心力效應(yīng)也更小，導(dǎo)致對殼程潤滑油的擾動(dòng)不足，換熱效果不佳。

強(qiáng)化傳熱的同時(shí)往往也伴隨著流體壓降的增加。圖7為3臺(tái)油冷卻器的殼程壓降隨油質(zhì)量流量的變化曲線。3臺(tái)油冷卻器的殼程壓降均隨著油流量的增加而增大，扭曲三葉管油冷卻器壓降最大，扭曲橢圓管油冷卻器壓降最小。在相同油流量下，扭曲三葉管油冷卻器殼程壓降比傳統(tǒng)折流板油冷卻器高19.6%～37.8%，扭曲橢圓管油冷卻器則比傳統(tǒng)折流板油冷卻器低44.0%～52.9%。如前所分析，這主要是因?yàn)榕で~管油冷器通過變空間設(shè)計(jì)，殼程的空隙率小，在相同的油流量下，殼程流速更高，導(dǎo)致阻力增大。而且，在扭曲三葉管束表面和管間激發(fā)出了更強(qiáng)烈的二次流動(dòng)，對邊界層的擾動(dòng)更劇烈，壓降也相應(yīng)升高。

圖7 殼程壓降隨油質(zhì)量流量的變化

換熱系數(shù)和壓降是換熱器設(shè)計(jì)中的兩個(gè)折衷參數(shù)，本文采用殼程/Δ值作為綜合評價(jià)因子。圖8為3種油冷卻器殼程/Δ值隨油質(zhì)量流量的變化曲線，3種油冷卻器殼程/Δ值均隨著油流量的增加而降低。在相同油流量下，兩臺(tái)縱流油冷卻器殼程/Δ值均高于傳統(tǒng)折流板油冷卻器，分別提高77.2%～130.4%和7.0%～50.6%。這是因?yàn)檎哿靼鍖こ塘黧w產(chǎn)生了較大的形體阻力，導(dǎo)致局部壓力損失大，而大部分的壓降并不能有效轉(zhuǎn)化為傳熱系數(shù)的增加。然而，兩臺(tái)縱流油冷卻器殼程無折流板，流體形體阻力小，幾乎所有的壓降都作用在強(qiáng)化管表面，減薄流動(dòng)邊界層，強(qiáng)化換熱過程。而且，扭曲三葉管油冷卻器殼程/Δ相比扭曲橢圓管油冷卻器可提高40.1%～65.7%，證明扭曲三葉管油冷卻器作為一種新型縱流換熱器，其具有良好的強(qiáng)化高黏度流體傳熱的特性。分析原因可能是扭曲三葉管油冷卻器殼程更高的介質(zhì)流速和更復(fù)雜的換熱表面，增強(qiáng)了對高黏度流體邊界層的擾動(dòng)，流體形態(tài)呈現(xiàn)為紊流狀態(tài)，而扭曲橢圓管油冷卻器殼程擾流則相對不足，流體還停留在層流或過渡流區(qū)。

圖8 殼程h/Δp隨油質(zhì)量流量的變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對扭曲三葉管和扭曲橢圓管兩種縱流油冷卻器殼程和與之間的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了擬合，范圍為80～550。圖9 和圖10 分別為扭曲三葉管油冷卻器和扭曲橢圓管油冷卻器殼程和隨的變化曲線。從圖9可以看出，兩臺(tái)油冷卻器的殼程隨著增大而增大，扭曲三葉管的增幅比扭曲橢圓管更大。在相同下，扭曲三葉管油冷卻器殼程是扭曲橢圓管油冷卻器的3.0～3.4 倍，表明扭曲三葉管油冷卻器在低情況下具有良好的強(qiáng)化傳熱效果。從圖10可以看出，兩臺(tái)油冷卻器的殼程隨著增大而降低，兩者的降幅趨勢大體相當(dāng)，在相同數(shù)下，扭曲三葉管油冷卻器殼程是扭曲橢圓管油冷卻器的1.8～2.0倍。本文所得關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均偏差小于10%，在工程設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。將擬合曲線與經(jīng)典層流公式進(jìn)行了對比，兩種油冷卻器的擬合曲線與經(jīng)典層流公式均有偏差，其中扭曲三葉管油冷器偏差較大，說明扭曲三葉管殼程對潤滑油的擾流更劇烈，流體的流動(dòng)形態(tài)已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變進(jìn)入紊流區(qū)。而扭曲橢圓管油冷卻器殼程擾流則相對不足，扭曲橢圓管油冷卻器殼程和與經(jīng)典層流公式計(jì)算值的平均偏差分別為18.8%和43.6%。

圖9 殼程N(yùn)u隨Re的變化

圖10 殼程f隨Re的變化

4 結(jié)論

構(gòu)造了一種殼程無隔板低空隙率的扭曲三葉管縱流油冷卻器，在80＜＜550的范圍，對其殼程傳熱與流動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與扭曲橢圓管縱流冷卻器和傳統(tǒng)折流板油冷卻器進(jìn)行了對比分析，所得結(jié)論如下。

（1）在相同的油流量下，扭曲三葉管油冷卻器殼程的傳熱系數(shù)、壓降和/Δ分別比傳統(tǒng)折流板油冷卻器高138.7%～190.5%、19.6%～37.8%和77.2%～130.4%；分別比扭曲橢圓油冷卻器高257.8%～298.6%、140.5%～158.4%和40.1%～65.7%，表明扭曲三葉管換熱器在低下具有良好的強(qiáng)化傳熱效果。

（2）扭曲三葉管縱流油冷卻器具有低空隙率、擾流強(qiáng)的特點(diǎn)。通過將三維變空間縱流流動(dòng)、因傳熱表面曲率效應(yīng)產(chǎn)生的二次流和螺旋通道內(nèi)因離心力效應(yīng)產(chǎn)生的二次流三者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高黏度流體在扭曲三葉管油冷卻器殼程的變空間變流場耦合強(qiáng)化傳熱。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得了低工況下扭曲三葉管和扭曲橢圓管兩種縱流油冷卻器的殼程傳熱與流動(dòng)關(guān)聯(lián)式，擬合值與實(shí)驗(yàn)值平均偏差在10%以內(nèi)，可為高效油冷卻器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供指導(dǎo)，拓展了縱流換熱器在低工況下的應(yīng)用。

——扭曲橢圓管長軸，m

——?dú)こ塘魍娣e，m

——扭曲橢圓管短軸，m

——?dú)こ虧櫇裰苓叄琺

c，c——油、水比熱容，kJ/(kg·K)

——扭曲三葉管內(nèi)切圓直徑，m

——扭曲三葉管過渡圓弧直徑，m

——管程當(dāng)量直徑，m

——?dú)こ坍?dāng)量直徑，m

——換熱管內(nèi)徑，m

——換熱管外徑，m

——管外換熱面積，m

——摩擦因子

——質(zhì)量流量，kg/s

，——油側(cè)、水側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m·K)

——總換熱系數(shù)，W/(m·K)

——換熱管長度，m

——換熱管數(shù)目

——努塞爾數(shù)

——螺距，m

——普朗特?cái)?shù)

Δ——?dú)こ虊航?，kPa

，，——平均、油側(cè)、水側(cè)換熱量，W

——雷諾數(shù)

，，，——油入口、油出口、水入口、水出口溫度，℃

Δ——對數(shù)平均溫差，℃

——油流速，m/s

，——油、水體積流量，m/s

——油熱導(dǎo)率，W/(m·K)

——管壁熱導(dǎo)率，W/(m·K)

，——油密度，水密度，kg/m

——油動(dòng)力黏度，Pa·s

——溫差修正因子