換熱器內逆向折流板對螺旋管傳熱性能的影響

摘要：為了提高換熱器的綜合傳熱能力，以逆向折流板螺旋管（RBST）換熱器為研究對象，通過改變折流板與螺旋管的安裝方式，獲得了更高綜合傳熱性能的RBST換熱器；采用雙向流-固耦合的計算方法，研究了不同流速和不同結構方案下流體誘導螺旋管振動對RBST換熱器綜合傳熱性能的影響，并探討了螺旋管振動的有效性。結果表明：當RBST換熱器內的折流板與螺旋管采用間隙安裝時，螺旋管的振幅隨入口速度的增加而增加，但其振動頻率始終保持不變；螺旋管振動能夠增強RBST換熱器的綜合傳熱性能，但是強化傳熱評價指標最高僅為1.030 3，效果并不顯著，且振動強化傳熱效果會隨著入口速度的增加而削弱；當RBST換熱器內的折流板與螺旋管采用無縫安裝時，換熱器綜合性能評價指標最高為1.018，這既延長了螺旋管的使用壽命，又提升了換熱器的綜合傳熱性能。

關鍵詞：振動強化傳熱；螺旋管；換熱器；折流板；安裝方式

中圖分類號：TH123；TK172 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202411012 文章編號：0253-987X（2024）11-0128-09

Effects of Reverse Baffles on the Heat Transfer Performance of Spiral Tubes in Heat Exchangers

JI Jiadong^1，2，NI Xuwang²，ZHAO Jinhui²，PAN Yuling²，CHEN Qinghua²

（1. The First Affiliated Hospital of Anhui University of Science amp; Technology，Huainan，Anhui 232001，China; 2. School of Mechatronics Engineering，Anhui University of Science amp; Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Abstract：In order to improve the comprehensive heat transfer capacity of heat exchangers，the reverse baffle spiral tube （RBST） heat exchanger is studied. By altering the installation method of the baffle and the spiral tube，a more efficient RBST heat exchanger with enhanced heat transfer performance is obtained. Using a bidirectional flow-solid coupling calculation method，the effect of fluid-induced spiral tube vibration on the comprehensive heat transfer performance of the RBST heat exchanger at different flow rates and under different structural schemes is investigated，and the effectiveness of the spiral tube vibration is discussed. The research findings reveal that that when the baffle and spiral tube are installed with a gap within the RBST heat exchanger，the amplitude of the spiral tube increases with the inlet velocity while its vibration frequency remains constant. The vibration of the spiral tubes can enhance the comprehensive heat transfer performance of the RBST heat exchanger. However，the maximum value of the enhanced heat transfer evaluation indicator is only 1.030 3，indicating a modest impact. Furthermore，the effectiveness of intensified heat transfer weakens as the inlet velocity increases. In contrast，when the baffle and the spiral tube inside the RBST heat exchanger are seamlessly installed，the heat exchanger achieves its highest comprehensive performance evaluation indicator of 1.018. This installation not only extends the service life of the spiral tube but also enhances the overall heat transfer performance of the heat exchanger.

Keywords：vibration-enhanced heat transfer；spiral tube；heat exchanger；baffle；assembly method

管殼式換熱器作為一種熱交換設備，因其結構簡單、適應性高、加工制造容易等優點，廣泛應用于石油、化工、制冷等領域^［1］。由于管殼式換熱器在工業中占據著重要地位，在節約能源方面有著舉足輕重的效果，因此眾多科研人員致力于優化其工作性能，不斷設計出更為高效的換熱器結構。弓形折流板換熱器作為一種傳統管殼式換熱器，因其成本低、可靠性高、適應性強，目前在工業上應用最為廣泛，然而其存在著行程阻力大易出現流動死區、漏流等缺點^［2］。針對這些缺點，有學者提出螺旋折流板換熱器，其殼程流體沿著折流板的結構方向，呈螺旋狀連續流動，從而克服了上述困難。文獻［3］研究結果表明，在相同條件下，較為理想狀態下的螺旋折流板，其單位壓降傳熱系數相對弓形折流板提升了約30%～50%，具有更高效的傳熱性和流動性。

針對折流板的改進，眾多科研人員進行了深入研究，以此獲得更為高效的管殼式換熱器。文獻［4］基于鯊魚鰓裂結構設計了一種異形仿生換熱器，并研究了其殼程對流換熱的高效低阻特性。文獻［5］對半圓柱空間換熱器的傳熱性能進行了試驗研究，并探究了其中梯形螺旋折流板結構的強化傳熱效果。文獻［6］研究了帶有螺旋和分段式導流板的剛性直管換熱器，結果表明：與分段導流板相比，采用螺旋導流板的換熱器傳熱性能提升了13.23%。文獻［7-8］研究了折流板間距對一種小型管殼式換熱器傳熱性能的影響，發現不同折流板間距方案下殼程流場的溫度分布和傳熱速率具有明顯的差別。文獻［9］采用理論分析與數值模擬相結合的方法，對比分析了連續螺旋折流板與弓形折流板換熱器的氣動噪聲與傳熱特性。

傳熱管束作為直接參與換熱過程的重要部件，研究人員也對其進行了結構改進，探索出了眾多更為高效的管束類型，如螺旋光管^［10］、波紋雙管^［11］和扭曲橢圓管^［12］等。此外，研究人員根據換熱器內管束易振動特性，針對彈性管束振動及傳熱方面進行了深入研究，致力于實現振動強化傳熱。文獻［13］對固定和周期余弦條件下管束的流動和傳熱進行了數值研究，結果表明管束壁面振動可以顯著提高其傳熱性能，具有周期性壁振動的平均努塞爾數是靜態管的2.854倍，但管內流體流動的摩擦系數提高了83.3%。文獻［14-15］利用渦流發生器產生的脈動流，研究流體誘導振動對3種流場中平面彈性管束傳熱增強的影響，結果表明：在脈動流、耦合流和穩定流中，流體誘導管束振動使得傳熱系數分別提高了28%、25%和19.5%。文獻［16-20］研究了殼程流體流動參數及管程結構對流體誘導振動實現強化傳熱的影響，結果表明：較低的殼程流速引起傳熱元件的小幅低頻振動更利于實現振動強化傳熱。相比于螺旋管換熱器中折流板與螺旋管同向布置，折流板與螺旋管逆向布置時，場協同角更小，殼程流體出口溫度更高，綜合傳熱性能更優^［20］。

實際上，隨著對振動強化傳熱研究的深入，發現管束振動往往伴隨著疲勞破壞，導致其使用壽命降低^［21］，這說明振動強化傳熱技術對于換熱器并非總是有益的。

據此，本文基于文獻［20］中具有更高綜合傳熱性能的逆向折流板螺旋管（RBST）換熱器，以提升使用壽命為出發點，采用雙向流-固耦合（TFSC）計算方法^{［15，21］}，對比分析了折流板與螺旋管間隙安裝和無縫安裝條件下螺旋管的振動、傳熱特性及RBST換熱器的綜合傳熱性能。

1 模型和方法

1.1 RBST換熱器模型

圖1所示為RBST換熱器示意圖。其中，RBST換熱器中兩端設置封頭，殼體內部有相同數量螺旋折流板和螺旋管，其螺距一致，螺旋折流板上開孔處理，殼體中心處同時設置一個中空管與螺旋折流板無縫連接。RBST換熱器內管程和殼程的出/入口集成在封頭上，殼程流體從殼程入口流入，經螺旋折流板導流并沖擊螺旋管壁面，最后經殼程出口流出。管程流體從管程入口流入，經過封頭內對應開孔流入螺旋管內，最后從管程出口流出。基于本文的研究目的，這里提出了兩種折流板與螺旋管的安裝方式：間隙安裝（標記為GA）和無縫安裝（標記為SA），兩種安裝方式的RBST換熱器分別記為GA-RBST換熱器和SA-RBST換熱器。其中，GA-RBST換熱器內會有少量流體從孔隙中穿出（見圖1）。

間隙安裝與無縫安裝的主要區別在于折流板與螺旋管的接觸狀態：間隙安裝中折流板開孔孔徑為40 mm，折流板與螺旋管存在間隙；無縫安裝中為了便于安裝，折流板開孔孔徑稍大于螺旋管外徑，在安裝至指定位置后通過焊接對間隙進行填充，實現無縫安裝。

螺旋管為紫銅材質，其余結構均為不銹鋼材質。由于殼程流體是導致螺旋管振動產生的主因且振動主要發生在銅制螺旋管^［22-23］，因此本文計算域中僅保留了殼程部分，結構域中僅保留了螺旋管。GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器除了折流板開孔孔徑存在差異外，其余的結構參數均保持一致。RBST換熱器的主要結構參數見表1。

1.2 計算域及網格劃分

圖2所示為RBST換熱器計算域及網格，為了深入分析螺旋管的振動特性，在TFSC交界面的最大變形位置設置了監測點P_i（i為螺旋管編號，i=1，2，3，4）用以分析4根螺旋管的振動情況。

計算域結構及物性參數見表2。由于螺旋管結構較為規則，采用六面體網格來劃分。由于流體域的結構較為復雜，采用四面體網格來劃分。為了提高計算精度，選用標準近壁面函數，并設置7層邊界網格。需要指出，為了開展有效對比，GA-RBST換熱器和SA-RBST換熱器采用相同的網格劃分策略。

1.3 計算方法及邊界條件

計算分為粗略計算和精確計算兩個階段，精確計算為TFSC計算，具體流程參見文獻［20］。粗略計算的總時長設為300 s，時間步長設為0.1 s；精確計算的總時長設為1.2 s，時間步長設為0.001 s。

邊界條件：螺旋管兩端固定約束，其余外部表面設為TFSC交界面，重力加速度設置為垂直向下，其值為9.81 m/s²。流體域設置入口流速U_in（0.05、0.20、0.35、0.50、0.65 m/s）、入口水溫T_in（293.15 K）、出口壓力P_out（0 Pa）和管壁溫度T_F（333.15 K），流體域內管壁面設為TFSC交界面，其余壁面設為非滑移絕熱壁面。

1.4 控制方程

計算采用不可壓縮流體水作為工作介質，其熱物性參數取決于流體的平均溫度，不考慮熱損失。振動條件下，螺旋管周圍的流體在入口流體速度較低時也會呈現湍流狀態，故選擇標準k-ε湍流模型進行數值模擬。為了評估數值解的收斂性，進行殘差檢查，閾值設置為10^－5。用于構建流體動力學模型數值解的控制方程^［14］如下

式中：u_f為流體流速；u_mf為網格移動速度；P為流體壓力；ν為流體運動黏度；λ為導熱系數；c_p為比定壓熱容；T為流體溫度；t為時間。

由于采用TFSC的計算方法，因此需要在TFSC交界面上實現力學邊界條件連續和牽引力條件平衡，表達式如下

式中：n為垂直于TFSC交界面的法向量；σ為作用力；d為位移；下標f和s分別為流體域和結構域。

在結構方面，同時利用哈密頓（Hamilton）原理建立彈性管束的整體運動方程，離散后彈性管束的結構力學方程表示如下

式中：M_s、C_s和K_s分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

1.5 數據處理

螺旋管的傳熱性能由努塞爾數（Nu）反映，表示為

式中：h為面均傳熱系數，表達式為

其中，q為熱流量，ΔT為對數平均溫差^［14］，表達式如下

其中，T_in、T_out、T_F分別為殼程入口流體溫度、出口流體溫度和TFSC交界面的溫度。

4根螺旋管的平均傳熱性能由平均努塞爾數（Nu） 反映，表示如下

式中，下標i為4根螺旋管的編號。

1.6 網格獨立性分析及計算方法驗證

網格獨立性分析基于GA-RBST換熱器開展，計算結果如表3所示。采用上述計算方法，入口速度U_in=0.2 m/s，對比數據選擇了螺旋管的平均面均傳熱系數（）和GA-RBST換熱器的壓降（ΔP）。

從表3可以看出，無論是增加或減少網格數量，采用類型Ⅱ的網格方案時，和ΔP的相對誤差都沒有明顯變化。這說明類型Ⅱ的網格方案滿足網格獨立性條件，因此后續計算均采用了該種方案。

表4列出了基于類型Ⅱ網格方案的RBST換熱器網格參數。其中，網格正交質量取值0～1，用于衡量網格單元中相鄰面之間的夾角是否接近90°，取值越高，表示網格質量越好。

為了驗證本研究所用的TFSC計算方法的有效性，建立了與文獻［24］中相同的螺旋管殼式換熱器模型，并保持相同的流動條件、傳熱條件和結構參數。利用TFSC計算方法得到換熱器在振動條件下的努塞爾數（Nu_v），并將其與文獻［24］中的實驗數據和文獻［25］中的經驗公式數據進行了比較，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，采用TFSC計算方法計算得到的Nu_v與實驗數據和經驗公式數據吻合較好，Nu_v的最大誤差僅為4.27%，驗證了本文所用的計算方法是有效的。

2 結果與分析

相較于GA-RBST換熱器，SA-RBST換熱器中的折流板能夠有效地固定螺旋管，使螺旋管的振動幅度極小，可以忽略不計。因此，僅對GA-RBST換熱器中的螺旋管振動特性進行分析。

在GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器中，非振動條件是指換熱器中的螺旋管處于理想的靜止狀態，而振動條件是指換熱器中的螺旋管在流體沖擊作用下的實際狀態。非振動條件與振動條件均按照粗算和精算兩個階段進行，振動條件下精算階段調用流體域和結構域進行TFSC計算，而非振動條件下精算階段僅調用流體域進行計算，兩者采用相同的計算時間和時間步長。

2.1 GA-RBST換熱器振動與傳熱分析

圖4所示為GA-RBST換熱器內螺旋管在不同入口速度下監測點P₁的振動幅值。從圖中可以看出，隨著入口速度的提高，監測點P₁處的振動幅值也逐步增大，然而增幅比較微弱，且其振動頻率始終保持在10.10 Hz。這表明，螺旋管振幅會隨著流體流速的增加而增加，但其固有頻率不會隨之變化。

表5展示了不同入口速度下螺旋管的傳熱性能。可以看出，當入口速度U_in分別為0.20、0.50 m/s時，無論是非振動條件Nu還是振動條件Nu_v，螺旋管1、2、3和4之間的差異都很小，表明螺旋管在不同狀態下具有良好的一致性。因此，以下僅分析基于4根螺旋管的平均數據。

表6展示了不同入口速度下螺旋管的平均傳熱性能。可以看出，隨著入口速度的提高，螺旋管振動條件Nu_v與非振動條件Nu均隨之增大。然而，振動條件Nu_v相比非振動條件Nu只有微小的增加，最大僅為0.09%。這表明GA-RBST換熱器內螺旋管的傳熱性能隨入口速度提高而增強，但振動條件對其影響較弱。入口速度的增加雖然促進了殼內流體的湍流特性，但對邊界層厚度的影響不明顯，因此振動條件的傳熱強化作用有限。

圖5顯示了不同入口速度下的壓降。從圖中可以看出，GA-RBST換熱器的壓降隨著入口速度的提高而顯著增大。然而，在相同的入口速度下，非振動與振動條件下的壓降幾乎沒有差異，這表明GA-RBST換熱器內螺旋管的振動對壓降的影響較小。

為了進一步分析GA-RBST換熱器內螺旋管振動對綜合傳熱性能的影響，引入強化傳熱評價指標E_pec進行反饋^［26-27］，其表達式如下

式中：f_v和f分別為振動和非振動條件下的達西摩擦因子，后者的表達式如下

其中，為殼程流體平均流速。

表7展示了不同入口速度下的E_pec。可以看出，螺旋管振動能夠提升GA-RBST換熱器的綜合傳熱性能，但提升幅度十分有限，并且隨著入口速度的增加而逐漸減小。當U_in=0.05 m/s時，綜合傳熱性能評價指標提高了3.03%，而當U_in=0.65 m/s時，僅提高了0.01%。綜合分析圖5、表6和表7，發現隨著入口速度的增加，同一速度下振動條件Nu_v相較于非振動條件Nu的強化傳熱性能提升幅度（ξ）逐漸降低，而同一速度下振動條件ΔP與非振動條件ΔP幾乎沒有差異。這說明隨著入口速度提高，振動強化傳熱性能逐漸降低，導致E_pec降低。

綜合上述分析，可以得以下結論：

（1） GA-RBST換熱器內的螺旋管具有較好的一致性，隨著流體入口速度的提高，螺旋管的振動幅度也隨之增加，但其振動頻率不受流體沖擊的影響；

（2） 隨著入口速度的提高，GA-RBST換熱器內螺旋管的振幅也會隨之增大，然而這卻降低了振動強化傳熱的效果；

（3） 螺旋管振動確實可以提高GA-RBST換熱器的綜合傳熱性能，但是提升幅度相對有限。

2.2 GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器對比分析

GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器對比分析中均采用振動條件下的數值。

圖6展示了GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器不同入口速度下的傳熱性能和壓降。從圖中可以看出，隨著入口速度的提高，兩種換熱器內螺旋管的Nu_v都呈現出上升的趨勢，但上升的幅度逐漸減小；壓降也隨之增加，但增加的幅度逐漸加大。此外，相比于SA-RBST換熱器，GA-RBST換熱器在相同的入口速度條件下，其Nu_v更高，而壓降更低。

表8展示了不同入口速度下流體的平均流速。從表8中可以看出，SA-RBST換熱器內流體的平均流速明顯高于GA-RBST換熱器，同一入口速度下，其殼內流體流速最高提升了9.59%。

由于RBST換熱器的綜合傳熱性能受到多種因素影響，為了定量分析GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器綜合傳熱性能的差異，引用綜合性能評價指標Q_JF^［28-29］，其表達式如下

式中：下標r代表參考換熱器；J為科爾本因子；F為范寧摩擦因子，其表達式分別如下

圖7展示了GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器在不同入口速度下的J和F。可以看出，隨著入口速度的提高，兩種換熱器的J和F均呈現下降的趨勢。SA-RBST換熱器的F明顯低于GA-RBST換熱器，最大降幅達到了12.17%，而J雖然也有所下降，但相比F的降幅較小，最大僅為3.14%。這表明SA-RBST換熱器在傳熱性能損失較小的同時，能更大程度降低殼程流體的阻力。

圖8展示了不同入口速度下的Q_JF，其中以GA-RBST換熱器的J與F為參考。從圖中可以看出，當入口速度U_in為0.20～0.50 m/s時，Q_JF均大于1，這表明SA-RBST換熱器相比GA-RBST換熱器具有更高的綜合傳熱性能。

上述研究結果表明，GA-RBST換熱器內的螺旋管可以通過振動實現強化傳熱的目的，但效果并不理想。這說明振動并非在任何情況下都能提升傳熱性能，反而可能導致管束的疲勞壽命大幅降低，而傳熱增益卻微乎其微。相比之下，SA-RBST換熱器內的螺旋管由折流板固定，有效減輕了流體對螺旋管的振動作用，從而延長了管束的使用壽命，同時也保證了高效換熱，這對工程應用具有重大意義。

3 結 論

基于一種高傳熱性能的RBST換熱器，通過分析折流板與螺旋管的安裝方式，提出了兩種結構方案：GA-RBST換熱器與SA-RBST換熱器。利用TFSC的數值計算方法，研究了流體誘導螺旋管振動對RBST換熱器綜合傳熱性能的影響，并探討了螺旋管振動的有效性，主要結論如下。

（1） 入口速度越高，GA-RBST換熱器內螺旋管振動幅度越大，但振動頻率保持不變。同時，入口速度的增加也導致E_pec逐步下降，振動對傳熱的強化作用減弱。

（2） 螺旋管振動能夠增強GA-RBST換熱器綜合傳熱性能，但是強化傳熱評價指標最高僅為1.030 3，效果并不顯著，而且會大幅降低螺旋管的使用壽命。

（3） 螺旋管振動并不適合提升RBST換熱器的綜合傳熱性能。相較于GA-RBST換熱器，SA-RBST換熱器內的折流板與螺旋管無縫安裝，換熱器綜合性能評價指標最高為1.018，這樣既能夠有效削弱螺旋管振動強度，延長螺旋管的使用壽命，也可實現RBST換熱器綜合傳熱性能的提升。

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（編輯 亢列梅）