高陽(遼河油田公司錦州采油廠 遼寧 錦州 121209)

扭曲橢圓管換熱器是由圓管軋制成的具有一定導(dǎo)程的扭曲橢圓管作為換熱元件，具有折流板換熱器傳熱系數(shù)高以及折流桿換熱器壓降低的特點(diǎn)。目前對(duì)于換熱器傳熱以及其壓降性能方面的研究較多，本文通過運(yùn)用數(shù)值計(jì)算等測(cè)試方法最終得到了扭曲橢圓管在管內(nèi)傳熱同壓降性能間的準(zhǔn)則計(jì)算關(guān)系式，為扭曲橢圓管換熱器的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了依據(jù)。

一、扭曲橢圓管換熱器具有的特征

新型扭曲橢圓管換熱器在目前所有工業(yè)中體現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)，其中主要包括良好的傳熱性以及壓降低等特征。而扭曲橢圓管在該類換熱器中可以通過采取普通光滑和圓管冷軋的方式進(jìn)行加工而成，換熱管的橫截面成橢圓形，且具有相同的周長(zhǎng)。在扭曲橢圓管的換熱器中管程的截面形狀呈橢圓形，并且具備螺旋形的流道，該形式的流道能夠促使換熱器產(chǎn)生很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力進(jìn)行擾動(dòng)。換熱器具有的殼程依靠臨近的管長(zhǎng)軸來支撐管道，這樣便能節(jié)省折流擋板的使用，進(jìn)而達(dá)到在換熱器的內(nèi)部使各元件排列緊密的效果，降低了換熱器具有的重量，同時(shí)還能改善換熱管產(chǎn)生的振動(dòng)情況。由于在換熱器進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)殼程流體會(huì)受到離心力的作用發(fā)生周期性的更改流動(dòng)方向和流動(dòng)速度現(xiàn)象，這種運(yùn)作方式有效增強(qiáng)了流體在縱向的混合程度，進(jìn)而使傳熱效果有所加強(qiáng)。以往傳統(tǒng)式的管殼換熱器是運(yùn)用光滑的圓管來作傳熱器件的，在這種類型的換熱管中沒有二次流動(dòng)的現(xiàn)象，較光滑圓管來說，扭曲橢圓管所具有的流體是呈螺旋狀的流體，增強(qiáng)了流體本身在管內(nèi)進(jìn)行橫向混合的程度，具有較高的傳熱性能[1-2]。

綜上可知，扭曲橢圓管換熱器具有以下主要特征：第一，該換熱器的殼程部分運(yùn)用的是多點(diǎn)自支撐構(gòu)造。在進(jìn)行傳熱工作時(shí)由于具有自支撐結(jié)構(gòu)，殼程會(huì)體現(xiàn)出網(wǎng)格化和一體化特征，在這一特征作用下?lián)Q熱器會(huì)進(jìn)行周期性的對(duì)管壁做有規(guī)律的沖擊活動(dòng)，加強(qiáng)了內(nèi)部流體在縱向方面的混合程度，提高了殼程具有的換熱成效。第二，該換熱器具有縱向的流體殼程。此結(jié)構(gòu)成功改善了由于殼程流動(dòng)方向經(jīng)常發(fā)生改變而引起的壓降現(xiàn)象，有效防范了在折流板和殼體的連接處出現(xiàn)結(jié)垢以及流動(dòng)死區(qū)現(xiàn)象，加強(qiáng)了換熱器的換熱面積。第三，扭曲橢圓管的管束芯體具有構(gòu)造緊湊和沒有支撐板的優(yōu)點(diǎn)。這樣的結(jié)構(gòu)有效提高了殼程具有的抗腐蝕性，解決了腐蝕現(xiàn)象對(duì)換熱管產(chǎn)生消耗等問題。第四，換熱器所具有的殼程截面會(huì)隨著換熱管橫截面的變化而發(fā)生幾何變化，可以通過改變橫截面的形狀來對(duì)殼程的流速進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，同時(shí)，還能使換熱器具有非對(duì)稱換熱的功能。

二、扭曲橢圓管傳熱與壓降間的關(guān)系研究

許多學(xué)者分別對(duì)扭曲橢圓管在管內(nèi)傳熱以及壓降的性能之間做過相關(guān)的報(bào)道和研究，他們從換熱器的角度展開對(duì)扭曲橢圓管所具有的兩者間的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從扭曲橢圓管管內(nèi)換熱效果的分析中得到的比較有代表性的傳熱與壓降計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)系式，如下所示：

(1)Nu=0.0182Re0.8(Tw/Tf)-0.05exp{1.95(Tw/Tf-1)2}(Dzyubenko)

(2)Nu=0.039Re0.544(S/d)-0.159(S/de)0.161Pr0.33(思勤)

(3)Nu=0.034Re0.784(B/A)-0.590(S/de)-0.165Pr0.333(高學(xué)農(nóng))

(4)Nu=0.821Re0.374(1-B/A)0.909(S/de)-0.263Pr0.6605(孟繼安)

以數(shù)值的計(jì)算結(jié)果作為基礎(chǔ)擬合而得出換熱器的管內(nèi)傳熱同壓降性能之間的通用計(jì)算關(guān)系式分析結(jié)論如下：首先，熱換器扭曲橢圓管內(nèi)具有的傳熱機(jī)理有效表明在管的內(nèi)部是存在二次流的，扭曲橢圓管的換熱器管內(nèi)只有在換熱管具有的長(zhǎng)軸和短軸的比值達(dá)到適當(dāng)?shù)某潭葧r(shí)，二次流才能夠形成具有規(guī)律性的螺旋流，否則便會(huì)形成與換熱管長(zhǎng)軸具有的方向相互垂直的上下擾動(dòng)流。二次流的大小取決于長(zhǎng)軸與短軸的比值，比值增大，二次流增大，比值減小，二次流則相應(yīng)減小。其次，同光滑的橢圓管相比，二次流的形成使換熱管的橫截面具有的速度和溫度有所改變，同時(shí)，橫截面所具有的摩擦系數(shù)和部分努賽爾數(shù)也發(fā)生了變化。在換熱管的橫截面同一位置對(duì)扭曲橢圓管和具有同樣橫截面的光滑橢圓管進(jìn)行對(duì)比Nu可知：扭曲橢圓管具有的Nu在很多情況下不一定比光滑橢圓管的Nu高，但是，它所具有的平均值要比光滑的橢圓管大很多。最后，扭曲橢圓管會(huì)沿著換熱管所具有的軸向方向做連續(xù)扭曲動(dòng)作，使得在換熱管的內(nèi)部出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，同光滑橢圓管相比，二次流會(huì)改變換熱管在橫截面上所具有的速度分布和溫度分布，它會(huì)使速度場(chǎng)和溫度梯度場(chǎng)兩者間的夾角度數(shù)有所降低，進(jìn)而能夠加強(qiáng)傳熱現(xiàn)象[3]。

結(jié)束語

綜上所述，扭曲橢圓管的換熱器體現(xiàn)了其良好的換熱特征，但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于換熱器的研究相對(duì)來說較少，更多的是對(duì)扭曲橢圓管換熱器管程實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及數(shù)值計(jì)算方面的探討研究，雖然通過擬合得到了換熱管管內(nèi)的傳熱與壓降計(jì)算準(zhǔn)則關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)了換熱管管內(nèi)存在的螺旋流，可是對(duì)于扭曲橢圓管換熱器所具有的其他領(lǐng)域的研究還有待繼續(xù)深入分析。

[1]朱冬生,譚祥輝，張立振，曾力丁，成取林.扭曲橢圓管換熱器技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用[J].化學(xué)工程，2012,10.

[2]譚祥輝.扭曲橢圓管換熱器傳熱與壓降性能的研究[D].華東理工大學(xué)，2013

[3]朱冬生，譚祥輝，曾力丁.扭曲橢圓管管內(nèi)傳熱與壓降性能的研究[J].化學(xué)工程，2013,01.