縱流殼程換熱器傳熱性能研究進展

朱凌云 周幗彥 朱冬生

(華東理工大學承壓系統與安全教育部重點實驗室)

換熱器是一種熱量傳遞設備，廣泛應用在化工、動力、食品、煉油及其他工業領域[1]。縱流殼程換熱器采用與傳統折流板換熱器不同的殼程結構，使殼程流體由錯流變為縱向流動，因而具有傳熱系數高、壓降小、重量輕、抗振動以及節省材料等諸多優點，是目前被廣泛研究與應用的一種新型管殼式換熱器[2]。

長期以來，縱流殼程換熱器流動與傳熱研究都以實驗為主，在對實驗數據進行處理后，擬合出流動與傳熱的相關準數關系式。隨著計算流體力學(CFD)、數值傳熱學(NHT)和計算機技術的發展，數值模擬方法憑借耗資少、周期短及重復性好等優點成為換熱器研究的一種重要手段，許多CFD商業軟件的出現進一步拓寬了數值模擬的使用范圍[3]。

1 縱流殼程換熱器殼程結構特點

縱流殼程換熱器是指在縱流式管束支撐物所產生的自由流道使殼程流體呈縱向流動，可用于需要強化殼程傳熱的熱力過程，為化工、動力及輕工等行業提供高效節能的換熱產品。

1.1 折流桿換熱器

20世紀70年代，美國菲利浦(Phillips)石油公司首先開發出殼程流體縱向流動的折流桿換熱器[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，并以一定角度交錯排列，折流桿的直徑與相鄰兩換熱管間隙幾乎相等，對換熱管進行固定。隨著對折流桿換熱器的深入研究，為了進一步提高折流桿換熱器傳熱和抗振性能，隨后出現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，即板上不開缺口而開有比管徑大的圓孔[6]。殼程流體從該圓孔通過，呈縱向流動，可以起到強化傳熱的作用，同時降低殼側壓降。隨后開發了小圓孔折流板，其板上除了開與換熱管外徑相等的孔外，還開有小圓孔，讓殼程流體通過。后續接著開發了異形孔折流板，如網狀孔、梅花孔及矩形孔等。近年來，又出現新型的三葉孔整圓形支撐板換熱器，在支撐板上開有三葉孔，一方面讓換熱管穿過，起支撐作用，另一方面讓殼程流體通過，由于流道面積變小，殼程流體流過時形成射流，起到強化傳熱效果。三葉孔換熱器憑借其良好的傳熱及壓降性能，廣泛地應用在核電行業中。

1.3 空心環、旋流片支撐式

空心環是用直徑較小的鋼管截成短節，均勻分布在換熱管之間的同一截面上形成的一組支撐結構。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單化，后來出現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相距180°開了溝槽，內中嵌焊沖有孔和毛刺的膜片，刺孔膜片既是支撐元件，同時又延伸了管壁，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，在殼程內靠相鄰管突出處的點接觸支撐換熱管，從而不需要折流板；變截面管是將普通圓管用機械方法相隔一定節距軋制成互為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，將流體流動變為縱向流動，流體流過折流桿時產生漩渦脫落和折流圈處的文丘里效應，在后面產生尾流，增強了流體湍流程度，從而強化了傳熱；流體流過折流桿時，速度增加，對管壁有沖刷作用，從而減薄了管外流體邊界層，既提高了傳熱系數，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。與弓形折流板相比，折流桿換熱器傳熱強化達1.3～2.4倍[8]。

整圓形孔板對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，當流體通過管孔與管壁之間的異形孔通道時，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，并且流體離開孔板后，會對周圍流體產生卷吸作用，因此，在較低的雷諾數下，殼程流體即可達到局部湍流，從而起到強化傳熱作用。開孔形狀直接影響殼程流體傳熱性能，另外，開孔率、開孔位置及支撐板厚度、跨距對強化傳熱效果都有影響。實驗及數值模擬結果證明[9～10]，梅花孔板傳熱效果最好，且在支撐板跨距為50mm時效果最佳，其傳熱系數為矩形孔板的1.6倍。吳金星等為了提高換熱器在低雷諾數下的傳熱效率，開發了花瓣孔板支撐，建立了花瓣孔板換熱器的實驗模型及裝置[11]。實驗結果表明：在雷諾數Re=1900～7500范圍內，花瓣孔換熱器比折流桿換熱器的總傳熱系數平均提高約40%，但壓降稍大，適合低雷諾數的工況。

空心環管間支撐物的空隙率很大，對殼程軸向流體的阻力極小，可充分利用強化管的粗糙肋面促進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；旋流片可以使殼程流體做三維螺旋運動，破壞流體邊界層，從而強化傳熱，旋流片的換熱效果優于空心環。

刺孔膜片上的小孔和毛刺增大了流體的湍動程度，減薄流體邊界層；扭曲橢圓管由于換熱管扭曲，使流體流過時產生二次流，改變速度場與溫度場分布，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試平臺，實驗結果表明，扭曲橢圓管換熱器既強化了傳熱，也減小了殼程壓降，在分析實驗數據的基礎上，擬合得到準數關聯式，為設計提供依據[12～14]。盤彩美等采用一個節距內7根管子相互支撐排列組成的模型，對扭曲橢圓管換熱器的殼程進行了數值模擬，分析相同雷諾數下，節距對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量損失。由于殼程沖刷力小，折流桿換熱器在大多數情況下能抵抗流體誘導振動，但在殼程流速很大時仍可能發生流體誘導振動。因此，嚴良文等提出了新型抗振折流桿元件——波形折流桿，實驗表明，波形折流桿在低雷諾數下克服湍流擾動不足，在高雷諾數下防止流體誘導振動，適用范圍很廣[16～18]。

整圓形孔板根據開孔形狀不同，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管束的支撐，但其流通面積太小，因而阻力比大圓孔大，導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有小圓孔板大且對管束支撐也較好，但由于結構復雜，加工難度大，實際工程中應用較少。總體而言，整圓形孔板存在少量的傳熱死區，殼程壓降也比折流桿換熱器有所增加。

據相關報道，相同情況下，空心環支撐結構比折流桿殼程壓降更小，但對流體的擾動作用沒有折流桿好[19]。鄧先和等用實驗證明，相同情況下，旋流片換熱效果優于空心環，但小扭率的旋流片會導致壓降迅速增大，其綜合傳熱性能反而不如空心環[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

根據上述分析，根據換熱器設計準則，筆者總結了幾種縱流殼程換熱器的計算關系式[21～26]。

3.1 傳熱計算

3.1.1折流桿式

Philips石油公司計算式：

鄭州大學節能中心計算式：

華南理工大學化機所計算式：

3.1.2整圓形孔板式

矩形孔板計算式：

花瓣孔板計算式：

支撐板間距B=90，1900

梅花孔板計算式：

支撐板間距L=100，Nu=0.1323Re0.61447

3.1.3管束自支撐式

3.2 壓降計算

3.2.1折流桿式

Philips石油公司計算式：

鄭州大學節能中心計算式：

華南理工大學化機所計算式：

3.2.2整圓形孔板式

矩形孔板計算式：

3.2.3管束自支撐式

扭曲橢圓管：

1000

8000

4 結束語

通過以上分析可以看出，縱流換熱器殼程支撐結構越來越簡單，直至不需要支撐，將殼程流動變為縱向流，提高了殼程的綜合傳熱性能，同時抗振、抗垢能力也得到加強，延長了設備壽命，投資也跟著降低。隨著強化傳熱的發展，復合強化技術越來越成熟，如將扭曲橢圓管中光管用翅片管代替。縱流殼程換熱器與強化管的復合使用將是今后的發展方向。

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