李浩天，廉立超

(中昊光明化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116031)

1 前 言

能源不僅是國民進步的動力，也是使生產(chǎn)力和生活水平提高的重要經(jīng)濟基礎[1]。我國雖然是世界上重要的能源儲備大國之一，但是人均能源儲備量目前仍很難達到世界平均標準的一半，所以當前社會越來越重視能源的節(jié)約。換熱器廣泛地應用在空分裝置、石油行業(yè)煉化、制冷工程等領域，是化工行業(yè)最為重要的工藝設備[2]；提高強化傳熱能大幅度節(jié)約能源，強化傳熱分為主動強化傳熱和被動強化傳熱[3]。主動強化傳熱需要借助外界裝置，施加電場、磁場或者攪拌等方式，存在應用過程復雜等缺點，因此被動強化傳熱成為了重要的研究方向[4]。被動強化傳熱是可以通過改變換熱器外部結構，改變流體在流場中的流動方式，使流體在流場中反復擾流增大換熱面積，從而增加換熱器的換熱量[5]。本文分析對比了管內(nèi)擾流元件中心直徑的變化對傳熱效率的影響。在符合工況的條件下，不僅能大幅度提高換熱器的傳熱效率，還具備安裝簡單，除垢方便等優(yōu)點，在空分裝置、石油化工等領域有著光明前景。隨著時間的推移，以及換熱器的強化換熱機理，材料學的逐步完善，換熱器已經(jīng)可以適用于各種各樣的工況[6]?？茽柌?、加德納、穆勒、多諾休和貝爾等人，以及美國的特拉華州大學都對換熱器整體的設計和流體熱力學有著巨大的貢獻[7]。

2 物理模型建立

2.1 換熱量計算

1.雷諾數(shù)

(1)

式中，ν為流體平均速度，m/s；μ為流體運動時的粘度，m2/s；dc為流場特征長度，m。

2.平均努塞爾數(shù)

(2)

式中，h為流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為流體導熱系數(shù),W/(m·K)。

3.換熱因子

(3)

式中,Nu為努塞爾系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特常數(shù)。

4.摩擦因子

(4)

式中,Δp為壓力差，Pa。

5.換熱量

Q=C×m×ΔT

(5)

m=ρ×V×A

(6)

Φ=K×A×ΔT

(7)

式中:Φ為熱流量，W；K為總導熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；Δt為熱流體與冷流體之間溫度差，K；C為比熱容；m為質(zhì)量，kg；T為溫度，K。

2.2 物理模型

本文在建立換熱器模型時，按照流體的流動及傳熱的基本方程及湍流模型選擇的標準k-ε方程[8]。但由于換熱器模型較大而且內(nèi)部構造比較復雜，因此在保證精確度的前提下，對計算模型進行簡化：

1.殼程中流體的流動與傳熱過程是穩(wěn)定且均勻的；

2.折流板和換熱管管束外壁的縫隙忽略不計；

3.換熱器外壁絕熱，不與外界存在能量交換。

具體邊界條件：1.速度入口，壓力出口，出口表壓力為0；2.冷流體為25℃水，熱流體為125℃煤油，均為牛頓不可壓縮流體；3.換熱管外壁結構為鋁,恒溫；4.殼體材料為鋁，絕熱壁面。

表1 換熱器幾何參數(shù)表

D=3 mm D=4 mm

D=5 mm D=6 mm

3 管內(nèi)擾流元件中心直徑對傳熱效率的影響

3.1 換熱量對比

表2 溫度與換熱量

(a)冷流出口溫度

(b)熱流出口溫度

3.2 中心直徑對溫度場的影響

圖3為換熱管在x=0.5位置中心截面的溫度云圖。由圖可知，管內(nèi)擾流元件靠近殼程位置的溫度變化較為明顯。但是管內(nèi)擾流元件中心位置的溫度和入口處相比，變化不大，換熱效果差。

D=3 mm D=4 mm

D=5 mm D=6 mm

3.3 中心直徑對壓力降的影響

通過圖4可以看出冷流壓降變化范圍相差不大，且壓降數(shù)值偏低，在3870～4000 Pa波動，中心直徑由3 mm增加至4 mm時，冷流壓降有效范圍內(nèi)升高，由4 mm增加至5 mm時，冷流壓降降低幅度較大，且中心直徑為5 mm時，冷流壓降小于中心直徑為3 mm時冷流壓降。中心直徑為6 mm時冷流壓降和5 mm時基本保持不變。中心直徑對熱流壓降數(shù)值影響較大，且熱流壓降整體隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大而減小，管內(nèi)擾流元件中心直徑在4 mm至5 mm變化時，熱流壓降減小幅度最大，這是由于隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大，管內(nèi)熱流體流動受到擾流元件干擾降低，遇到的阻力減小，壓力的損失也就減小。圖4明顯看出管內(nèi)擾流元件中心直徑在5 mm以上時，熱流降壓明顯低于直徑在5 mm之下。中心直徑在5 mm時，壓力變化最均勻。

表3 冷熱流壓降變化

圖4 壓降性能曲線

3.4 換熱效率對比

由圖5～7可得出擾流元件中心直徑在5 mm時，當雷諾數(shù)在696.9～2090.7變化時下降的速度最快，當雷諾數(shù)大于2090.7時，換熱效率受雷諾數(shù)影響較小。擾流元件中心直徑在3 mm時，雷諾數(shù)在696.9～2787.6變化時，下降幅度最大，大于2787.6時，趨于平緩。擾流元件中心直徑在6 mm時，在相同雷諾數(shù)下，換熱效率最低。因此，在相同雷諾數(shù)下，管內(nèi)擾流元件中心直徑在4 mm時換熱效率最高。

表4 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱因子的影響

圖5 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱因子的影響

表5 管內(nèi)擾流元件中心直徑對摩擦因子的影響

圖6 管內(nèi)擾流元件中心直徑對摩擦因子的影響

表6 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱效率的影響

圖7 管內(nèi)擾流元件中心直徑對換熱效率的影響

4 結 語

換熱管內(nèi)擾流元件中心直徑為4 mm時換熱量最高，為413.97 kW；中心直徑為6 mm時換熱量最低，為289.68 kW；換熱量可提高4.24%～42.80%。中心直徑為3 mm時熱流壓降最高，為35 752.2 Pa；中心直徑為6 mm時熱流壓降最低，為18 443.4Pa；壓降最高可降低93.85%，且換熱器熱流壓降隨著管內(nèi)擾流元件中心直徑的增大而減少；中心直徑為4 mm時換熱器換熱效率最高，5 mm次之，中心直徑為6 mm時換熱效率最低。