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粗糙管換熱器帶自旋流的復合強化傳熱技術點擊：1709 日期：[ 2014-04-26 21:53:36 ] |
| 粗糙管換熱器帶自旋流的復合強化傳熱技術 鄧先和 洪蒙納 （華南理工大學化工與能源學院傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640） 摘要：介紹了粗糙管換熱器中沿傳熱管軸向間隔分置旋流片的兩區協同強化傳熱方法。旋流片使流體產生螺旋流，螺旋流在離開旋流片之后依靠自身的運動慣性保持一定距離的自旋流，對管道近壁區與中心區產生互動的協同傳熱強化。此外，該方法也可用于管間，除了對管間管束的機械支撐外，旋流片也可使管間流體產生自旋運動，實現殼程流體的兩區協同傳熱強化。對現有工業系統的換熱器技術升級、實現節能降耗意義重大。 關鍵詞：粗糙傳熱管；旋流片軸向間隔分置；復合強化傳熱 中圖分類號：TK 124；TK 172；T19 文獻標識碼：A 文章編號：1000–6613（2007）10–1400–04 在石油、化工、動力等高能耗工業行業，換熱器的流體輸送功耗在工業系統中所占操作能耗的比例是很大的。因而降低換熱器的流體輸送功耗、減少生產的操作成本、提高換熱設備的傳熱效率是節約能源的最有效途徑之一。復合強化傳熱技術是指兩種或兩種以上的強化措施同時應用，彼此配合發揮各自特長，以期獲得更大傳熱強化效果的技術。復合強化傳熱技術對換熱設備的改造升級，實現節能降耗具有重大的意義，因此引起了廣泛的興趣。Naphon[1]和 Sarma[2]等研究了管內插入扭片，表明管內插入扭帶是強化流體傳熱的一種有效方法，并得出了傳熱與流阻性能的關聯式。Zimparov 等[3－6]對螺旋槽管內插入扭帶的復合強化傳熱進行大量研究，發現插入連續長扭帶時流體的摩擦阻力和形體阻力過高，輸送功耗非常大。Shivkumar 等[7]在層流情況下研究了螺旋槽管和各種扭帶插入物的復合強化傳熱，也未能得到比光滑圓管好的性能。國內的一些學者[8－10]也對內插扭帶的復合強化傳熱進行研究，發現傳熱系數有較大的提高，但往往以更高的阻力增加為代價，因此其應用范圍受到很大的限制。為了克服這個缺點，Saha 等[11]對光滑管內插入短截扭帶的流動與傳熱性能進行研究，其工質是黏性流體，得出短截扭帶具有較好傳熱與流阻綜合性能的結論。吳雙應等[12]實驗研究了間斷扭帶管內油的受迫對流換熱，得出間斷扭帶是一種有效的強化元件，但沒有進一步的研究。本文介紹了提出管殼式換熱器中帶自旋流的復合強化傳熱方法，探討一種間隔分置的旋流片應用于粗糙管換熱器在充分湍流條件下的傳熱研究。首次從利用流體自旋流的角度研究低阻高效的傳熱強化方法，該方法不僅可以在管內與粗糙管復合使用，起到雙重強化傳熱作用，同時也可以作為換熱器殼程管束間支撐物，并且在殼程中由于自旋流的作用也可強化傳熱，具有較大的實用價值。 1 管內的復合強化傳熱 流體在換熱器的換熱流道中的流動狀況可簡分為兩區，一是湍流中心區，二是邊界區（包括流體傳熱滯留底層與過渡流層）。流體在光滑管中作湍流流動時，傳熱的熱阻 80%以上集中在邊界區，若采用帶合理粗糙肋面的強化傳熱管（例如螺旋槽管、橫紋槽管、縮放管、各類翅片管等）可以通過對邊界層的擾動有效減少邊界區的傳熱熱阻，同時又不會增加過大的流體阻力，從而可以獲得傳熱與流阻的綜合性能評價因子[η=Nu/Nus/(f/fs)1/3，反映在同等輸送功耗的條件下傳熱系數的增幅]大于 1 的傳熱強化效果。近 30 年來，國內外學者研究了許多這類高效強化換熱技術[13－19]。但目前經進一步的傳熱數值模擬研究[20]發現，單純采用粗糙管強化湍流流體傳熱不能使中心區流體的傳熱熱阻得到有效減少，從而限制了該種傳熱強化方法能力的進一步發揮。雖然粗糙管肋面對流動黏性底層內的流體產生了很大的擾動，減少了流動黏性底層厚度，有效地降低了該區的熱阻，促進該區域內的傳熱；并且在流動過渡區，粗糙肋面促進了流體速度場與溫度梯度場的協同，使該區流體徑向流速與湍流強度較光滑管明顯增大，強化了熱流的傳熱，減少了該區的熱阻。但由于管子的粗糙肋面不能對中心區流體產生有效的擾動，使粗糙管的傳熱熱阻比例與光滑管相比會較大幅度轉移到中心區（由原來光滑管的不足 20%，提升到粗糙管的 33%～42%），造成兩區間傳熱熱阻分布不合理，因此單純采用粗糙管在邊界區強化湍流流體傳熱很難再進一步提高強化傳熱管的傳熱與流阻綜合性能。圖 1 是旋流片的結構示意圖，其結構上是一種短截扭帶。將旋流片間隔安置在粗糙管中，在制作工藝上是可以實現的。在實驗研究時為了便于調整管內旋流片的間距，只需將每個旋流片的兩端打上細孔，并用細鋼絲串聯起來再插入管內即可。而在實際工業應用時可將旋流片與粗糙管一起滾扎加工成型，構成實用型復合強化傳熱管。 王楊君等[21]采用數值模擬和實驗研究的方法，對光滑管內空氣湍流情況下內插旋流片結構及其間距進行優化，說明了旋流片起到了一個旋流促進器的作用，并且旋流強度越強，速度場矢量與熱流矢量場的協同程度越好，傳熱性能越佳。旋流片的旋轉角度、扭率和間隔率對傳熱與流動性能有很大的影響。旋轉角度越大，傳熱性能越好，阻力越大；間隔率越小，傳熱性能越好，阻力越大；扭率越大，傳熱性能越好。以強化傳熱綜合評價因子作為優化的目標函數，旋流片存在一個最佳的幾何結構形式，可以使湍流流體傳熱與流阻的綜合性能評價因子大于 1。因為當采用間隔分置的旋流片作流體的傳熱強化時，由于旋流片是間隔分置一段較長距離，旋流片與流體的接觸長度大幅減少，可以大幅降低旋流片與流體間的摩擦阻力和形體阻力。雖然在有旋流片的一段管道中，仍類似于長扭帶內插管中，其η值小于 1，但在其后較長一段沒有旋流片的管道中，流體由于自身的運動慣性產生了自旋流，此時由于縱向渦的作用使流體在邊界區的速度增大而中心區的速度減緩，有利于提高傳熱系數與降低中心區的流體摩擦阻力，故使η值大于 1，最終可使有旋流片管段與沒有旋流片管段（流體自旋段）兩段總的η平均值大于 1，因而這種方法適合用于在湍流操作條件下的傳熱強化。由于光滑管內的湍流傳熱熱阻 80%以上集中在邊界區，單純采用間隔分置的旋流片在湍流中心區并不能很有效地減少邊界區的熱阻，故其傳熱強化的幅度也同樣受到限制。在粗糙強化管內間隔插入旋流片，由于旋流片的旋流作用，流體在粗糙管內每經過一個旋流片時可以產生螺旋流，而此螺旋流可以依靠流體自身的運動慣性在旋流片的下游保持一定距離的自旋流。此時縱向渦的存在改變了流體速度矢量場與溫度梯度矢量場，特別是改變了軸向量綱為 1 溫度梯度值的數量級，使其與徑向量綱為 1 溫度梯度基本在同一個數量級，改善了速度場與溫度場的協同關系，強化了管內中心區的傳熱，克服了粗糙強化管僅依靠粗糙肋面作近壁強化傳熱的局限性，使整個流道的傳熱得以加強，同時又避免形成大的流動阻力。因此可以獲得雙重強化傳熱效果。 2 管間的復合強化傳熱 殼側熱阻在很多工業應用情況下起到控制熱阻作用，強化殼側傳熱具有非?，F實的意義。強化殼程傳熱的方法主要有：①利用各種粗糙管[22－24]，如縮放管、螺旋扁管和翅片管等雙面強化傳熱；②改變殼程的結構，主要是采用流體壓降較小的支撐物[25－27]，如螺旋折流板、空心環網板等?？招沫h網板管間支撐最大的優點就是殼程流體軸向流動的形體阻力很小，有利于減少換熱器的殼程壓降，但支撐物本身對流體流動沒有造成明顯的改變，直接強化對流傳熱的作用較弱。朱瑞林等[28]在管間插入彈簧和扭片，發現管間流體由于彈簧和扭片的作用而產生螺旋流，增強了傳熱效果。但文獻中沒有進行流動阻力性能的研究。沿換熱器管束軸向間隔分置于管隙間的旋流片網板（結構如圖 2）在起到支撐管束作用的同時，不僅可以像空心環管間支撐物一樣在殼程軸向流道中保持較大的空隙率，對流體的形體阻力較小，而且可使流體在經過旋流片支撐物之后形成自旋流的流動狀態，從而發揮管間支撐物的對流強化傳熱作用，以彌補空心環的不足。旋流片網板的制作工藝也是比較簡單的。在實驗研究中，旋流片的調整類似于管內插入的情況。而在工業應用時，只需將換熱器殼程同一橫截面上的全部旋流片焊接固定在縱橫扁鋼網格上構成旋流網板結構即可。周水洪等[29]數值模擬分析了旋流網板換熱器中旋流片強化傳熱機理，表明旋流片產生的自旋流具有高效低阻的優勢，其性能優于空心環。與空心環管殼式換熱器殼程軸流型的低阻高效空心環管間支撐物[22]相比，旋流片管間支撐物支撐縮放管束的傳熱與流阻綜合性能評價因子可由 1.22 提升到 1.4，使空心環管殼式換熱器的傳熱強化性能有了比較大幅度的提高。這種新的管間支撐物已從 2005 年初開始在硫酸工業中投入應用，換熱器的換熱性能較原空心環換熱器可提高 15％～20％。 王楊君等[30]對4種不同結構形式的旋流片支撐縮放管管束的傳熱與流動性能進行了實驗研究，并與空心環網板支撐縮放管管束和縮放管管束無支撐兩種情況進行比較，證實了旋流片與縮放管管束匹配具有明顯的復合強化傳熱效果。但不同結構形式的旋流片支撐物與縮放管管束的配合對傳熱綜合性能有很大的影響。在4種不同結構形式的旋流片支撐物中，270-45 和 180-45 兩種支撐物的強化傳熱綜合評價因子小于無支撐的縮放管管束，表明這兩種旋流片反而削弱了縮放管的傳熱。這與旋流片作為管內插入物與縮放管復合使用時相似，即在復合強化傳熱中，旋流片強化傳熱作用的增強是以增大阻力為代價的。旋流片的旋轉角度太小，則流體經過旋流片未能得到充分的旋流，傳熱效果不明顯；旋流角度過大，旋流片的長度就很長，流體流經旋流片時的摩擦阻力和形體阻力就比較大。同樣，旋流片的扭率太小，流體的形體阻力很大，其輸送功率也很大；扭率太大，換熱效果不明顯；旋流片間隔分置的距離太大，則旋流片下游的自旋流衰減完全后還未進入下一周期的旋流，也就是存在沒有自旋流的區域，因此強化傳熱效果不充分；旋流片間隔分置的距離太小，旋流片下游的自旋流還遠沒有衰減完全就進入下一輪的旋流，導致了沒有完全利用自旋流的強化傳熱作用?？梢?，為了達到最佳的傳熱強化效果，必須找出最優的組合。 3 結 語 粗糙管換熱器中帶自旋流的復合強化傳熱方法是管殼式換熱器中管程和殼程的傳熱強化的有效途徑，對現有強化型換熱器的傳熱強化技術進一步提高具有在概念與方向上拓展的意義。為獲得換熱器傳熱與流阻綜合性能評價因子增幅最大，還需要更深入探討其協同傳熱強化的規律性與優化的方法，研究兩區協同傳熱強化的互補性與相關性，在兩區的傳熱熱阻分布及流體輸送功耗的合理分配方面找到兩區傳熱強化的最佳結合點，尋求出旋流片與粗糙肋面耦合的最佳結構。 |
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