非轴对称截面换热管在管壳式换热器中的传热性能研究①
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摘 要：非轴对称截面换热管是一种新型高效强化传热管型，非轴对称截面换热管是在轴对称截面换热管（螺纹管、波纹管、波节管）的基础上研制的一种新型强化换热管。除强化传热外非轴对称截面换热管还可以显著防止结垢的形成，管束热胀冷缩变形补偿能力强，壳程容积大节省空间，并且对于诱导振动具有一定的牵制作用，目前广泛应用于石油化工、生物制药、产热供热等行业，并且具有较好的应用前景。本文以非轴对称截面换热管在管壳式换热器中的传热性能为研究对象，主要与传统型管式换热器做对比开展以下研究。
关键词：非轴对称截面 换热管 强化传热 换热器
中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0010-02
我国目前的石化行业处于比较紧张的局势，热交换设备支出占到国内总投资的30%以上，其中普通对称截面换热管和弓形折流板形式的管壳式换热器就占了80%。但是，目前大多数换热器仍存在很多弊端，例如壳程压降大、传热效果差，加上运作时结垢和管束诱导振动的约束，此类换热器违背了可持续节能减排的发展以及高效利用能源的绿色发展核心。目前应用较为广泛的强化传热技术包括改变传热面的形状（螺纹管、波纹管、波节管）。非轴对称截面换热管换热器目前并未广泛应用于石油化工行业生产，但早期已有大量的模拟实验和数值研究如何增强此类换热器的传热性能和流阻特性，研究时期不长和基础实力的缺乏很大程度上对于非轴对称截面换热管换热器广泛应用于实际工业生产有一定的阻碍作用。另一方面，工业设计并未普及到非轴对称截面换热管换热器，所以并没有统一独立的设计标准，目前广泛应用的是普通管壳式换热器的设计标准GB/T151-2014《管壳式热交换器》[2]和SW6《过程设备强度计算软件》来设计。
非轴对称截面换热管换热器传热强化特点：其变截面从任意截面看主要是相同的长圆或椭圆形，螺旋状扭曲延伸至长度方向的一种换热管型，其截面中心轴线为一直线。非轴对称截面换热管可以根据需要加工成不同形状和不同螺距的管型[3]。为了提高非对称截面换热管传热性能，在管壳式换热器壳体中，非轴对称截面换热管均匀紧密分布，同时需要布管时相邻换热管之间有一定的接触，在管束上设置几道扎箍保证管束刚度以及为管束的抽出吊装提供便利[4]。非轴对称截面换热管强化传热主要体现在以下几个方面。
（1）非轴对称截面换热管以弯曲的螺旋流道为主要内部组成结构，所以这就形成了流体在管道中以连续的涡流形式流动，主要以两个方向的流动为主，一个是纵向的主流方向流动，还有与主流方向垂直的二次流动，二次流动引起的离心力作用增强了流体的旋转和径向混合，这种流动方式可以明显的减小传热边界层的厚度，比普通的直管流道中流体流动的传热效果更好。
（2）非轴对称截面换热管的特点主要是螺旋截面结构并且在壳程紧密排列，两个基本特征形成了壳程的流体流道纵向呈螺旋周期变化，壳程流体在外侧沿着换热管纵向流动，总体在换热管间形成螺旋循环式的流体壳程流道，一方面有利于壳程流体与传热面最大程度的接触，另一方面，二次流动产生的离心力使壳程流体随着螺旋流道做着周期性的运动，不断改变流动方向和速度，流体运动至螺旋线接触点会出现大量脱离管子外壁的尾流，这样就会通过增加流体的扰动性来使壳程流体传热率更有效。
（3）在传热效能方面非轴对称截面换热管换热器优于普通弓形折流板换热器，这主要是因为非轴对称截面换热管换热管特殊的结构：管之间点接触，管束之间具有自支撑性，因此，壳程流体的流动阻力相对较小，虽然在相同Re的条件下，弓形折流板换热器主要结构折流板对壳程流体的扰流作用导致横向地冲刷换热管，再者流体流动周期性地改变流动方向，所以壳程流体的扰动程度明显大于扭曲管换热器壳程，但在相同压力降的前提下，特别是在Re的情况下，非轴对称截面换热管换热器的壳程传热效果明显优于弓形折流板换热器
（4）非轴对称截面换热管紧密分布的管束对于换热器体积起到有效的减小作用，管子本身由于特殊的扭曲结构，有效缩短换热管的轴向长度，另外换热器的壳程之间的结构更加紧密，减小换热器的直径，壳程的螺旋流道结构，一方面消除流动死区的同时通过湍动流体的冲刷作用有效清洁换热器内部结构。
（5）采用工艺流程模拟软件ASPEN V7.2 对非轴对称截面换热管换热器的管程和壳程流体模拟测试，对比两者管程及壳程的流场分布、传热系数以及压力降结果，分析两者扭曲比、导程对传热效果、流阻性能之间的影响关系。结果显示，非轴对称截面换热管的扭曲比，传热系数、压力降三者之间成正比，总而言之，在对非轴对称截面换热管选择时要综合考虑其对传热系数和压力降的影响。结论显示当流体粘滞系数大并且管程雷诺数小的前提条件下，传热强化综合性能相对较好，而对于管程来说，最佳的导程与当量直径之比S/de为D12，最佳的压扁程度A/B为1.4～2.0;对于壳程来说，同样流体粘滞系数大并且管程雷诺数小的前提条件下，与其他常见换热器对比起来的综合性能最好[5]，所以，非轴对称截面换热管换热器对于高粘低速流体的传热更有效。
（6）在设计选型方面，壳程不需具备设计折流板等支撑元件，非轴对称截面换热管换热器在其他结构上与普通的弓形折流板换热器基本一致。
（7）非轴对称截面换热管换热器管外传热性能模拟，目前应用的管壳式非轴对称截面换热管换热器的壳程结构来看，换热管之间以互相接触的自支撑布管形式组成，而且管与管之间的壳程主要是纵向螺旋流道。由于非轴对称截面换热管换热器的壳程流道主要结构是由非轴对称截面换热管之间互相紧密接触形成的螺旋纵向流道，流体流动基本上是沿管束平行流通，所以可将壳程流体的流动看作非圆形直管的管内流动，非轴对称截面换热管换热器的壳程达到湍流时所需的雷诺数和普通弓形折流板换热器的壳程大致一致，均需要达到10000以上，同时雷諾数过大可能会引起流动死区或者震动等问题。对于一些特殊类型的非轴对称截面换热管来说，管外流体的湍流程度加强主要在非轴对称截面换热管壁面处得到改善，非轴对称截面换热管换热器的壳程实际结构是非轴对称截面换热管之间紧密接触、相互支撑，管之间的间隙较小，另外单根非轴对称截面换热管周围引起的壳程流体与相邻的多根非轴对称截面换热管周围引起的壳程流体可以互相扰动，总而言之，非轴对称截面换热管换热器壳程的强化传热效果明显优于传统管式换热器换热效果[6]。
综上所述，非轴对称截面换热管换热器由于强化传热特点而备受社会关注，并且逐渐应用于工业过程当中。换热器是一种有效热量传递的基础设施器械，并且在石油化工等行业中具有广阔的应用前景。随着世界能源短缺问题的日益严重以及工业新材料、新技术、新工艺的不断发展，目前将研究重点放在提高能源的综合利用效率上[7]。
参考文献
[l] 史美文，王中铮.热交换器原理与设计[M].2版.南京：东南大学出版社，1998.
[2] GB/T151-2014.热交换器[S].2014.
[3] 宋丹，蹇江海，张迎恺.扭曲管双壳程换热器的研究及性能分析[J].石油化工设备技术，2012（5）：1-3.
[4] 钱颂文，方江敏，江楠.扭曲管与混合管束换热器[J].化工设备与管道，2000（2）.
[5] 刘庆亮，杨蕾，朱冬生.扭曲管管内强化传热模拟分析[J].石油化工设备技术，2010，31（6）：19-22，28.
[6] 谭祥辉，孙赫，张立振，等.扭曲椭圆管换热器的壳程强化传热特性[J].化工学报，2012（3）.
[7] 王维，邓群英.热能与动力工程在锅炉应用中的问题分析[J].好家长，2017（49）：247.
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