扭曲橢圓管換熱器傳熱與壓降性能的研究

高陽(yáng)(遼河油田公司錦州采油廠 遼寧 錦州 121209)

扭曲橢圓管換熱器是由圓管軋制成的具有一定導(dǎo)程的扭曲橢圓管作為換熱元件，具有折流板換熱器傳熱系數(shù)高以及折流桿換熱器壓降低的特點(diǎn)。目前對(duì)于換熱器傳熱以及其壓降性能方面的研究較多，本文通過(guò)運(yùn)用數(shù)值計(jì)算等測(cè)試方法最終得到了扭曲橢圓管在管內(nèi)傳熱同壓降性能間的準(zhǔn)則計(jì)算關(guān)系式，為扭曲橢圓管換熱器的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了依據(jù)。

一、扭曲橢圓管換熱器具有的特征

新型扭曲橢圓管換熱器在目前所有工業(yè)中體現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)，其中主要包括良好的傳熱性以及壓降低等特征。而扭曲橢圓管在該類換熱器中可以通過(guò)采取普通光滑和圓管冷軋的方式進(jìn)行加工而成，換熱管的橫截面成橢圓形，且具有相同的周長(zhǎng)。在扭曲橢圓管的換熱器中管程的截面形狀呈橢圓形，并且具備螺旋形的流道，該形式的流道能夠促使換熱器產(chǎn)生很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力進(jìn)行擾動(dòng)。換熱器具有的殼程依靠臨近的管長(zhǎng)軸來(lái)支撐管道，這樣便能節(jié)省折流擋板的使用，進(jìn)而達(dá)到在換熱器的內(nèi)部使各元件排列緊密的效果，降低了換熱器具有的重量，同時(shí)還能改善換熱管產(chǎn)生的振動(dòng)情況。由于在換熱器進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)殼程流體會(huì)受到離心力的作用發(fā)生周期性的更改流動(dòng)方向和流動(dòng)速度現(xiàn)象，這種運(yùn)作方式有效增強(qiáng)了流體在縱向的混合程度，進(jìn)而使傳熱效果有所加強(qiáng)。以往傳統(tǒng)式的管殼換熱器是運(yùn)用光滑的圓管來(lái)作傳熱器件的，在這種類型的換熱管中沒有二次流動(dòng)的現(xiàn)象，較光滑圓管來(lái)說(shuō)，扭曲橢圓管所具有的流體是呈螺旋狀的流體，增強(qiáng)了流體本身在管內(nèi)進(jìn)行橫向混合的程度，具有較高的傳熱性能[1-2]。

綜上可知，扭曲橢圓管換熱器具有以下主要特征：第一，該換熱器的殼程部分運(yùn)用的是多點(diǎn)自支撐構(gòu)造。在進(jìn)行傳熱工作時(shí)由于具有自支撐結(jié)構(gòu)，殼程會(huì)體現(xiàn)出網(wǎng)格化和一體化特征，在這一特征作用下?lián)Q熱器會(huì)進(jìn)行周期性的對(duì)管壁做有規(guī)律的沖擊活動(dòng)，加強(qiáng)了內(nèi)部流體在縱向方面的混合程度，提高了殼程具有的換熱成效。第二，該換熱器具有縱向的流體殼程。此結(jié)構(gòu)成功改善了由于殼程流動(dòng)方向經(jīng)常發(fā)生改變而引起的壓降現(xiàn)象，有效防范了在折流板和殼體的連接處出現(xiàn)結(jié)垢以及流動(dòng)死區(qū)現(xiàn)象，加強(qiáng)了換熱器的換熱面積。第三，扭曲橢圓管的管束芯體具有構(gòu)造緊湊和沒有支撐板的優(yōu)點(diǎn)。這樣的結(jié)構(gòu)有效提高了殼程具有的抗腐蝕性，解決了腐蝕現(xiàn)象對(duì)換熱管產(chǎn)生消耗等問(wèn)題。第四，換熱器所具有的殼程截面會(huì)隨著換熱管橫截面的變化而發(fā)生幾何變化，可以通過(guò)改變橫截面的形狀來(lái)對(duì)殼程的流速進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，同時(shí)，還能使換熱器具有非對(duì)稱換熱的功能。

二、扭曲橢圓管傳熱與壓降間的關(guān)系研究

許多學(xué)者分別對(duì)扭曲橢圓管在管內(nèi)傳熱以及壓降的性能之間做過(guò)相關(guān)的報(bào)道和研究，他們從換熱器的角度展開對(duì)扭曲橢圓管所具有的兩者間的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從扭曲橢圓管管內(nèi)換熱效果的分析中得到的比較有代表性的傳熱與壓降計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)系式，如下所示：

(1)Nu=0.0182Re0.8(Tw/Tf)-0.05exp{1.95(Tw/Tf-1)2}(Dzyubenko)

(2)Nu=0.039Re0.544(S/d)-0.159(S/de)0.161Pr0.33(思勤)

(3)Nu=0.034Re0.784(B/A)-0.590(S/de)-0.165Pr0.333(高學(xué)農(nóng))

(4)Nu=0.821Re0.374(1-B/A)0.909(S/de)-0.263Pr0.6605(孟繼安)

以數(shù)值的計(jì)算結(jié)果作為基礎(chǔ)擬合而得出換熱器的管內(nèi)傳熱同壓降性能之間的通用計(jì)算關(guān)系式分析結(jié)論如下：首先，熱換器扭曲橢圓管內(nèi)具有的傳熱機(jī)理有效表明在管的內(nèi)部是存在二次流的，扭曲橢圓管的換熱器管內(nèi)只有在換熱管具有的長(zhǎng)軸和短軸的比值達(dá)到適當(dāng)?shù)某潭葧r(shí)，二次流才能夠形成具有規(guī)律性的螺旋流，否則便會(huì)形成與換熱管長(zhǎng)軸具有的方向相互垂直的上下擾動(dòng)流。二次流的大小取決于長(zhǎng)軸與短軸的比值，比值增大，二次流增大，比值減小，二次流則相應(yīng)減小。其次，同光滑的橢圓管相比，二次流的形成使換熱管的橫截面具有的速度和溫度有所改變，同時(shí)，橫截面所具有的摩擦系數(shù)和部分努賽爾數(shù)也發(fā)生了變化。在換熱管的橫截面同一位置對(duì)扭曲橢圓管和具有同樣橫截面的光滑橢圓管進(jìn)行對(duì)比Nu可知：扭曲橢圓管具有的Nu在很多情況下不一定比光滑橢圓管的Nu高，但是，它所具有的平均值要比光滑的橢圓管大很多。最后，扭曲橢圓管會(huì)沿著換熱管所具有的軸向方向做連續(xù)扭曲動(dòng)作，使得在換熱管的內(nèi)部出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，同光滑橢圓管相比，二次流會(huì)改變換熱管在橫截面上所具有的速度分布和溫度分布，它會(huì)使速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)兩者間的夾角度數(shù)有所降低，進(jìn)而能夠加強(qiáng)傳熱現(xiàn)象[3]。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，扭曲橢圓管的換熱器體現(xiàn)了其良好的換熱特征，但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于換熱器的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，更多的是對(duì)扭曲橢圓管換熱器管程實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及數(shù)值計(jì)算方面的探討研究，雖然通過(guò)擬合得到了換熱管管內(nèi)的傳熱與壓降計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)了換熱管管內(nèi)存在的螺旋流，可是對(duì)于扭曲橢圓管換熱器所具有的其他領(lǐng)域的研究還有待繼續(xù)深入分析。

[1]朱冬生,譚祥輝，張立振，曾力丁，成取林.扭曲橢圓管換熱器技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用[J].化學(xué)工程，2012,10.

[2]譚祥輝.扭曲橢圓管換熱器傳熱與壓降性能的研究[D].華東理工大學(xué)，2013

[3]朱冬生，譚祥輝，曾力丁.扭曲橢圓管管內(nèi)傳熱與壓降性能的研究[J].化學(xué)工程，2013,01.