强化管换热器传热及阻力特性分析研究

强化管换热器传热及阻力特性分析研究

李燕1  ,李大振2

1.广东美的制冷设备有限公司 528311

2.华为技术有限公司  518129

摘要：纵观许多研究者对强化管的研究一般只是对单独的换热元件的传热和阻力特性进行研究，设计者发现这些强化元件所组成的换热器却没有呈现出研究者所描述的高效性能效果，经分析这是由于各强化管由于自身的结构特点，所组装成的整体换热器存在着局部结构上的差异，是无奈的也是无可避免的。正是因为这种局部结构的差异使得各强化管无法充分展现出其个体所呈现出的优秀性能，或者造成强化管独立个体和组装成整体换热器的速度场、温度场和总阻力等的表现都差别很大。出现了设计者因这种现象而造成了困扰而弃用的现象，降低了实际工程应用价值。为了给采用强化管的设计人员提供更加精确的设计依据，提高实际工程应用价值，对三维管换热元件和其它几种高效换热元件根据自身特点所组成的整体结构换热器的传热和流动特性进行深入详细的分析，才具有实际的指导意义。因此，换热器的综合性能研究不容忽视。

关键词：强化管；传热；对流

引言

异形管缠绕管换热器的数值模拟研究集中在改变圆管截面大尺寸方面，例如：三叶管、椭圆管，对改变圆管截面微小尺寸进而强化换热的研究鲜有报道。本文基于流动传热强化机理，提出了基于开槽强化管的缠绕管换热器，使用Fluent18.0数值分析了壳侧空气流动、换热和综合性能随凹槽数量和深度的变化规律，并与圆形光管缠绕管式换热器进行了对比。

1壳管式换热器强化传热技术进展

相互平行的换热管管束构成了壳管式换热器的传热面，管子两端由管板来固定，管程流体和壳程流体互不接触，通过换热管束管壁传递热量。为了改善壳程的换热情况，多在外壳内装设折流挡板，使壳程流体来回改变流动方向，增强流体混合，减少流动死区。世界各国学者在壳管式换热器管程和壳程强化换热技术方面进行了诸多研究。壳管式换热器的强化换热研究主要体现在2方面：1）从结构入手，开发出新型的高效传热管（如螺旋槽纹管、波纹管、缩放管、绕丝花环管、内插扭带强化管等）来强化管程的换热；2）在管束间的支撑结构采取措施（如螺旋折流板、整圆折流板、螺旋叶片、折流杆等），改变壳程流体的流动状态，主要是从横向流变成纵向流和螺旋流，以提高传热效率和降低壳程阻力。因此，壳管式换热器的传热强化技术主要从管程和壳程的结构方面进行研究。

2强化管换热器传热及阻力特性分析研究

2.1三维内肋管换热器

三维内肋管是通过专用机床在光管内壁挤压出许多独立的齿状肋片作为强化传热元件，其强化传热机理是:扩大了换热面积，每个肋都是扰动源，增加了流动的紊乱度，流体在肋间的近壁面加速，减薄了热边界层厚度，流体在管内做周期性振动，流体横向冲刷三维肋，提高了流体与肋的换热系数;从而达到强化传热的效果。

2.2整圆形孔板

将开有不同形状孔的整圆形折流板代替了传统的弓形折流板，孔板上开有管孔和流体导流孔，流体流经导流孔时形成小孔或贴壁射流，对周围流体产生卷吸作用而发生局部混合，从而在较低雷诺数下使流体离开孔口后形成湍流，并减薄射流区域的传热边界层，既强化传热，又有抗垢和除垢作用，适用于中、低粘度流体及雷诺数不太大的场合。整圆形折流板的缺点是结构复杂，加工困难，制造成本高。传统的整圆形孔板有五种结构形式：大圆孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状。近年来为了简化了换热器的制造，在大管孔的基础上略微修改了它的支撑形式，采用交替使用一侧管壁支撑的方式开发出了偏心孔板。为了强化换热和简化了换热器的制造，华中科技大学能源与动力工程学院黄素逸教授等人开发了一种新型整圆形孔板——花瓣孔板，即只在圆形隔板的四个象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的角度，这种结构就可以使流体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目的。

2.3波纹管

波纹管是将光管加工成波纹形状的翅片，强化传热机理是通过改变断面使得弧形段内壁处产生2次反向性的扰动，可以周期性地增加流体的扰动，增强其湍动性能，破坏了边界层的热阻层，从而可以有效增大传热系数。通常情况下，波纹管较普通的光管换热器效率提高2倍～3倍。利用FLUENT软件对波纹管管内流体在湍流下的流动与换热情况进行了数值模拟研究，探究了管内流体流动状态和管道结构对流动阻力和换热系数的影响，拟合出了流动阻力与换热系数的关联式，并与试验数据进行对比，验证了数值模拟结果的可靠性与有效性。

2.4空心环支撑结构

空心环支撑是由华南理工大学传热强化与过程节能重点实验室邓先和等发明，是由直径较小的钢管截成短节，均匀分布在换热管之间的同一截面上，呈线性接触。用这种结构代替折流板，能降低35－50%的换热器钢材消耗量，使气体压降减少30－40%，目前已成功应用于硫酸工业与石化工业。研究表明，在同等壳程压降下，采用缩放管时，空心环列管式换热器比折流杆式壳程传热系数提高50%－80%。邓先和教授开发的空心环急扩加速流缩放管列管式换热器已广泛应用于硫酸厂转化工序。但空心环支撑的扰流作用不如折流杆支撑，而且管束固定工艺较为复杂。

2.5折流杆支撑

折流杆换热器壳体内的折流元件由一系列细小的折流杆组成，杆两端焊于环圈上，相互平行的折流杆和折流圈统称为折流栅，折流栅以一定的间距、一定的排列方式布置在壳体内。折流杆换热器的特点是使流体由横掠管束改为纵掠管束，由于折流杆对流体的扰动作用，流体流过折流杆后产生的漩涡脱落，以及流过折流圈时的文丘里效应，以及在后面产生的漩涡尾流，大大提高了传热系数。另外，换热管与折流杆之间为点接触或线接触，接触面积小，传热面积充分，消除了”传热死区”。由于改横向流为纵向流，流动阻力大为减小，壳程压降很小，其缺点是折流栅和折流笼的制造和安装比较麻烦，而且只有在大流量及高流速的场合才能体现其优良的性能。

2.6管子自支撑

近年来常见的支撑管有刺孔膜片管、螺旋扁管和变截面管等形式。刺孔膜片管的刺孔膜片不仅能起到支撑作用，还能使管壁延伸，有效增加传热面积；毛刺和小孔破坏了边界层的发展，增强了壳程流体的湍动性能和混合程度，从而提高了换热系数，壳内流体纵向流动，压降很小。螺旋椭圆扁管具有双面强化的作用，靠相邻换热管突出的点接触而起到支撑作用。这种结构使得管内、外流体呈螺旋运动，使流速和流向发生周期性变化；壳程流体流经相邻管子的螺旋线接触点形成脱离管壁的尾流，增大了流体本身的湍流度，破坏了管壁上的流体边界层，从而使壳体传热得到增强。变截面管是将普通圆管用机械方法相隔一定间距并互成一定角度轧制出扁管形状的管子。变截面管靠变径部分的点接触互相支撑，同时又组成了壳程部分的扰动元件，其结构简单，且为双面强化管，最大的弱点是管内阻力太大。

2.7试验元件

试验系统所采用的试验元件是采用几种强化管与光管分别所组装成的管壳式换热器 ，并且这几种强化管都是由基管为 ϕ25×2.5 mm的 Q235 碳钢管加工而成。这几种强化管分别是三维管、弧线管和缩放管，它们是由新一代自主开发的几种强化管生产机加工制造而成。试验所用仪器仪表如表 1 所示。

表 1 试验所用仪器仪表

结语

在管侧换热性能已经得到较大改善的情况下，提高壳侧的换热性能即壳侧支撑结构的改进和创新是各种新型换热器研究的重点。总体来说，各种新型管束支撑使壳程流体呈现不同的流动状态，其共同点是都能有效地强化壳程换热效果，且流动阻力比弓形折流板大幅度减小，但是大部分结构复杂，制造困难，成本高，制约了新型管束支撑换热器的推广和应用。

参考文献

[1]方运惠，童军杰．管壳式换热器传热强化及技术进展[J]，应用技术，2006；3（3）：89-91.

[2]吴金星，董其伍，刘敏珊等．纵流式换热器的研究进展[J]，化工进展，2002；21（5）：306-309.