螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用

螺旋扭曲扁管换热器的研究进展与工业应用刘庆亮1，朱冬生1,2，杨蕾1（1华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640；2华东理工大学机械与动力学院，上海200237）摘要：根据对流传热的场协同理论和螺旋扭曲扁管换热器的特殊结构，深入分析了螺旋扭曲扁管换热器的综合性能。回顾了螺旋扭曲扁管换热器在国内外研究进展情况，并对影响其综合性能的各影响因素进行了讨论，同时介绍了螺旋扭曲扁管换热器国内外工业应用实例。最后，对螺旋扭曲扁管换热器的进一步研究进行了展望。关键词：螺旋扭曲扁管；换热器；影响因素；工业应用中图分类号：TQ053文献标识码：AResearchProgressandIndustrialApplicationofTwistedTubeHeatExchangerLIUQing-liang1,ZHUDong-sheng1,2,YANGLei1,(1EducationalMinistry'sKeyLabofEnhancedHeatTransferandEnergyConservation,SouthChinaUniversityofTechnology,AcademyofChemistryandChemicalEngineering,GuangdongGuangzhou510640;2SchoolOfMechanicalAndPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnologyShanghai200237)Abstract:Theover-allperformanceoftwistedtubeheatexchangerwasdeeplyanalyzedaccordingtothefieldsynergyprincipleofconvectionheattransferandthespecialconstructionoftwistedtubeheatexchanger.Theresearchatbothhomeandabroadoftwistedtubeheatexchangerwasreviewed,andthevariousfactorsaffectingitsover-allperformancewerealsostudied.Theindustrialapplicationexamplesathomeandabroadoftwistedtubeheatexchangerwerealsointroduced.Finally,theresearchdirectionsfortwistedtubeheatexchangerwereputforward.Keywords:twistedtube;heatexchanger;influencingfactors;industrialapplication引言当前，节能减排越来越受到人们的关注与重视，广大科技工作者也把发展节约能源的新技术作为研究重点[1]。在我国石油化工行业中，换热设备投资占到总投资的30%以上，其中80%为传统的弓形折流板光管换热器。而这种换热器存在传热效果差、壳程压降大、容易结垢以及发生管束诱导振动等缺点[2,3]。为了克服这些缺点，DzyubenkoB.V[4]等人首先提出了一种新型的高效换热器——螺旋扭曲扁管换热器。据朱冬生[5]等介绍，这种换热器较光管换热器热流密度提高了约50%。1螺旋扭曲扁管换热器综合性能性能理论分析螺旋扭曲扁管换热器是在传统管壳式换热器的基础上，以螺旋扭曲扁管代替光管，壳程不设置折流板，只依靠螺旋扭曲扁管外缘螺旋线的点接触进行自支撑，如图1所示。其中的螺旋扭曲扁管是以圆管为基管，经压扁后扭曲而成，其横截面是椭圆形，如图2所示。为了实现管子与管板相接，管子两端保持圆形。图1螺旋扭曲扁管的自支撑结构图2螺旋扭曲扁管1.1管程综合性能理论分析过增元[6,7]等从速度场和温度场相互协同的全新角度阐述了对流传热的物理机制。该物理机制认为：对流传热与有内热源的导热在本质上是一样的，流体流动起着当量内热源的作用。对流传热的强度取决于当量内热源的强度。而当量内热源的强度不仅取决于温差、流体速度和流体物性，还取决于速度场和温度场的协同程度。张杏祥[8]从以上场协同理论出发，提出了提高速度场和温度场的协同性的途径：（1）减小速度场和温度场的夹角。（2）增加速度场和温度梯度场的均匀性。如图1所示，螺旋扭曲扁管换热器的特殊结构使管内流体纵向旋转流动，与光管相比，速度场和温度场的夹角减小，提高了温度场和速度场的协同性，从而使螺旋扭曲扁管换热器的管内传热性能优于光管。同时，管内流体的螺旋流动也产生了垂直于主流方向的二次旋流，由于二次旋流增加了速度场和温度梯度场的均匀性，温度场和速度场的协同性也随之增加，由此实现管内传热性能的强化。螺旋扭曲扁管强化管内传热的同时，由于其管内流体的纵向旋转以及二次旋流的出现，必然导致流动阻力较光管有所增加。1.2壳程综合性能理论分析螺旋扭曲扁管的自支撑结构使管间形成了螺旋形通道[9]。如图3所示，壳程流体在通道内由于离心力的作用而周期性地改变速度和方向，强化了流体的纵向混合。同时，壳程流体经接触点后形成了脱离管壁的尾流，增加了流体的湍流程度，从而强化了传热[10]。螺旋扭曲扁管换热器由于没有折流板的存在，壳程内无流动死区，与传统的弓形折流板换热器相比，不仅流动阻力有所减小，抗结垢的性能有很大提高，而且能够克服诱导振动，可靠性也有所提高[11]。图3壳程流体流动状况2螺旋扭曲扁管换热器国内外研究进展2.1国外研究进展国外早于上世纪80年代就开始对螺旋扭曲扁管换热器进行研究，但是由于涉及到商业机密等问题，国外关于螺旋扭曲扁管换热器的研究文献很少。前苏联研究人员Dzyubenko,BV[12-21]等人于1980年前后首先提出了螺旋扭曲扁管换热器，并采用试验和数值模拟的方法对螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程的传热与流阻性能进行了大量研究，根据试验结果首先拟合了对于壳程，处于湍流区和过渡区，Fr≥232时传热与流阻准则公式，对于Fr232的情形，只给出了Fr=64的传热与流阻准则公式；对于管程，虽然也拟合了传热与流阻准则公式，但是这些公式只是对试验中特定的螺旋扭曲扁管换热适用，因此没有普遍的应用价值。随后，瑞典的Alards公司和美国的BrownFintube公司对螺旋扭曲扁管进行了改进，使螺旋扭曲扁管真正进入了工业应用阶段[22]。2.2国内研究进展直到上世纪90年代，国内才有关于螺旋扭曲扁管换热器的研究文献出现[23]。国内文献主要从三个方面对螺旋扭曲扁管换热器进行了研究：理论分析，数值模拟，试验研究。2.2.1理论分析周善炳，熊双喜[24]等从螺旋扭曲扁管换热器的结构出发，通过与传统的弓形折流板换热器比较，理论上分析说明了螺旋扭曲扁管换热器具有强化管内外传热，克服流体诱导振动以及延缓结垢等优点。孟继安，李志信[25]等首先将对流传热的场协同理论应用到螺旋扭曲扁管管内传热分析上，认为螺旋扭曲扁管的特殊结构使速度场和温度场的协同程度提高，从而强化管内传热。张杏祥[8]首先用流路分析法分析了螺旋扭曲扁管换热器壳程传热，认为与弓形折流板换热器相比，螺旋扭曲扁管换热器壳程消除了绝大多数的旁路流和漏流，大大提高了换热器传热面积的利用率。卿德藩[26]提出由于螺旋扭曲扁管的特殊结构，螺旋扭曲扁管换热器作为冷凝器时强化传热的评价指标必须考虑水力直径的影响。2.2.2数值模拟孟继安，李志信[25]等在国内首先利用数值模拟的方法对螺旋扭曲扁管管内传热与流阻性能进行了研究，并给出反映管内层流状态下传热与流阻性能的关联式，认为在高Pr下，强化传热评判指标3/10)//()/(ioiNuNu可高达2~4.。杨荔，李志信[27]等采用数值模拟的方法考察了在层流状态下Re、Pr以及结构参数S/B与B/A对螺旋扭曲扁管管内传热的影响。张杏祥采用数值模拟的方法对螺旋扭曲扁管换热器的管程和壳程都进行了深入分析[28-31]，其中在文献[30]中比较了弓形折流板换热器、盘环形折流板换热器、折流栅换热器和螺旋扭曲扁管换热器壳程流体流动和传热情况，用P/衡量壳程的综合性能，得出螺旋扭曲扁管换热器壳程综合性能最好，而弓形折流板换热器最差；在文献[31]研究了湍流状态下Re以及S/de对壳程综合性能的影响。2.2.3试验研究思勤，夏清[32]等试验考察了Fr232，Re=1×103~2×104范围内螺旋扭曲扁管换热器的传热与阻力性能，以3/10)//()/(ioiNuNu，00/p作为分别评价管程、壳程综合性能的准则，得出了适宜使用螺旋扭曲扁管换热器的Re范围：管程Re5000，壳程Re8000；另外，实验还考察了导程St对传热和阻力的影响，并且给出了传热准则公式。梁龙虎[33]比较了螺旋扭曲扁管换热器和光管换热器的管程综合性能，以及螺旋扭曲扁管换热器和折流杆换热器壳程综合性能，得出螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程都有更好的传热与流阻综合性能，同时还考察了管径对传热与流阻的影响。顾红芳、陈听宽[34]以含不凝性气体的煤油为管外冷凝的气体，冷水为管内工作介质，与光管进行了比较，认为螺旋扭曲扁管作为冷凝设备有广泛的应用前景；另外，试验还研究了不凝性气体含量、管子的排列方式、母管管径以及导程对传热的影响。黄德斌、邓先和[35]等比较了四种结构不同的螺旋扭曲扁管换热器以及两种直椭圆管换热器，得出结论：螺旋扭曲扁管换热器适宜使用于高Pr与较低Re的场合；同时，文献中还根据试验结果拟合了反映传热与流阻性能的准则公式，但是这些准则公式只适用于特定结构的螺旋扭曲扁管换热器，因此没有普遍应用价值。张杏祥[36]等则较全面地考察了螺旋扭曲扁管结构参数S/de、B/A以及流体Re和Pr的影响。卿德藩、邹家柱[37-39]等在国内首先研究了螺旋扭曲扁管换热器作为冷凝器、油冷器以及蒸发器的污垢特性，并研究了Re以及St对污垢特性的影响。高学农、邹华春[40]等试验研究得出B/A与S/de相比对高扭曲比螺旋扭曲扁管换热器的管内传热和流阻性能的影响更大；另外，文中还拟合了高扭曲比螺旋扭曲扁管换热器管程的传热和流阻准则公式，对于设计高扭曲比的螺旋扭曲扁管换热器有一定的指导意义。3影响螺旋扭曲扁管换热器综合性能的各因素3.1影响管程综合性能各因素在无垢情况下，当Re较小时，传热边界层的作用明显，而螺旋扭曲扁管能够明显地破坏管内传热边界层，因此螺旋扭曲扁管可以较好地强化管内传热，同时Re较小时，管程的流动阻力也较小；综合考虑传热和流阻性能，文献[32]认为Re的最佳工作区为Re5000，文献[29]认为Re的最佳工作区是Re4000，而文献[37]认为Re的最佳工作区为Re4500。在结垢情况下，根据污垢形成理论[41]，Re越大，渐近污垢热阻就越小，越有利于传热；文献[37]在螺旋扭曲扁管换热器作为冷凝器，A=32mm，B=16.3mm的试验条件下，得出存在结垢的情况下导程对Re的最佳工作区有重要影响，见表一。文献[25]的试验研究表明，较高的Pr可使管内强化传热效果显著增加，但是流动阻力增加较少，因此较高的Pr有利于螺旋扭曲扁管换热器管程综合性能的提高。文献[4,29,32]考察了B/A、S/de以及St对管程传热和流阻性能的影响。B/A、S/de以及St越小，强化传热效果越明显，但是同时流动阻力也增大，这样管程内B/A、S/de以及St就存在着最佳取值范围：B/A=0.5~0.7，S/de=6~12，但是至今没有文献给出St的最佳取值范围。3.2影响壳程综合性能的各因素螺旋扭曲扁管换热器壳程的自支撑结构同样能够破坏壳程流体的传热边界层，强化壳程传热，而Re只有在较小范围内传热边界层作用才明显，因此文献[32]给出了壳程Re的最佳工作区为：Re8000。文献[8]试验研究认为与传统弓形折流板换热器相比，较高的Pr更能体现螺旋扭曲扁管换热器壳程综合性能的优势。螺旋扭曲扁管换