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粗糙管换热器带自旋流的复合强化传热技术

点击:849 日期:[ 2014-04-26 21:53:36 ]
                              粗糙管换热器带自旋流的复合强化传热技术                                         邓先和   洪蒙纳 (华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东 广州 510640)     摘要:介绍了粗糙管换热器中沿传热管轴向间隔分置旋流片的两区协同强化传热方法。旋流片使流体产生螺旋流,螺旋流在离开旋流片之后依靠自身的运动惯性保持一定距离的自旋流,对管道近壁区与中心区产生互动的协同传热强化。此外,该方法也可用于管间,除了对管间管束的机械支撑外,旋流片也可使管间流体产生自旋运动,实现壳程流体的两区协同传热强化。对现有工业系统的换热器技术升级、实现节能降耗意义重大。     关键词:粗糙传热管;旋流片轴向间隔分置;复合强化传热     中图分类号:TK 124;TK 172;T19      文献标识码:A     文章编号:1000–6613(2007)10–1400–04      在石油、化工、动力等高能耗工业行业,换热器的流体输送功耗在工业系统中所占操作能耗的比例是很大的。因而降低换热器的流体输送功耗、减少生产的操作成本、提高换热设备的传热效率是节约能源的最有效途径之一。复合强化传热技术是指两种或两种以上的强化措施同时应用,彼此配合发挥各自特长,以期获得更大传热强化效果的技术。复合强化传热技术对换热设备的改造升级,实现节能降耗具有重大的意义,因此引起了广泛的兴趣。Naphon[1]和 Sarma[2]等研究了管内插入扭片,表明管内插入扭带是强化流体传热的一种有效方法,并得出了传热与流阻性能的关联式。Zimparov 等[3-6]对螺旋槽管内插入扭带的复合强化传热进行大量研究,发现插入连续长扭带时流体的摩擦阻力和形体阻力过高,输送功耗非常大。Shivkumar 等[7]在层流情况下研究了螺旋槽管和各种扭带插入物的复合强化传热,也未能得到比光滑圆管好的性能。国内的一些学者[8-10]也对内插扭带的复合强化传热进行研究,发现传热系数有较大的提高,但往往以更高的阻力增加为代价,因此其应用范围受到很大的限制。为了克服这个缺点,Saha 等[11]对光滑管内插入短截扭带的流动与传热性能进行研究,其工质是黏性流体,得出短截扭带具有较好传热与流阻综合性能的结论。吴双应等[12]实验研究了间断扭带管内油的受迫对流换热,得出间断扭带是一种有效的强化元件,但没有进一步的研究。本文介绍了提出管壳式换热器中带自旋流的复合强化传热方法,探讨一种间隔分置的旋流片应用于粗糙管换热器在充分湍流条件下的传热研究。首次从利用流体自旋流的角度研究低阻高效的传热强化方法,该方法不仅可以在管内与粗糙管复合使用,起到双重强化传热作用,同时也可以作为换热器壳程管束间支撑物,并且在壳程中由于自旋流的作用也可强化传热,具有较大的实用价值。     1 管内的复合强化传热       流体在换热器的换热流道中的流动状况可简分为两区,一是湍流中心区,二是边界区(包括流体传热滞留底层与过渡流层)。流体在光滑管中作湍流流动时,传热的热阻 80%以上集中在边界区,若采用带合理粗糙肋面的强化传热管(例如螺旋槽管、横纹槽管、缩放管、各类翅片管等)可以通过对边界层的扰动有效减少边界区的传热热阻,同时又不会增加过大的流体阻力,从而可以获得传热与流阻的综合性能评价因子[η=Nu/Nus/(f/fs)1/3,反映在同等输送功耗的条件下传热系数的增幅]大于 1 的传热强化效果。近 30 年来,国内外学者研究了许多这类高效强化换热技术[13-19]。但目前经进一步的传热数值模拟研究[20]发现,单纯采用粗糙管强化湍流流体传热不能使中心区流体的传热热阻得到有效减少,从而限制了该种传热强化方法能力的进一步发挥。虽然粗糙管肋面对流动黏性底层内的流体产生了很大的扰动,减少了流动黏性底层厚度,有效地降低了该区的热阻,促进该区域内的传热;并且在流动过渡区,粗糙肋面促进了流体速度场与温度梯度场的协同,使该区流体径向流速与湍流强度较光滑管明显增大,强化了热流的传热,减少了该区的热阻。但由于管子的粗糙肋面不能对中心区流体产生有效的扰动,使粗糙管的传热热阻比例与光滑管相比会较大幅度转移到中心区(由原来光滑管的不足 20%,提升到粗糙管的 33%~42%),造成两区间传热热阻分布不合理,因此单纯采用粗糙管在边界区强化湍流流体传热很难再进一步提高强化传热管的传热与流阻综合性能。图 1 是旋流片的结构示意图,其结构上是一种短截扭带。将旋流片间隔安置在粗糙管中,在制作工艺上是可以实现的。在实验研究时为了便于调整管内旋流片的间距,只需将每个旋流片的两端打上细孔,并用细钢丝串联起来再插入管内即可。而在实际工业应用时可将旋流片与粗糙管一起滚扎加工成型,构成实用型复合强化传热管。                           王杨君等[21]采用数值模拟和实验研究的方法,对光滑管内空气湍流情况下内插旋流片结构及其间距进行优化,说明了旋流片起到了一个旋流促进器的作用,并且旋流强度越强,速度场矢量与热流矢量场的协同程度越好,传热性能越佳。旋流片的旋转角度、扭率和间隔率对传热与流动性能有很大的影响。旋转角度越大,传热性能越好,阻力越大;间隔率越小,传热性能越好,阻力越大;扭率越大,传热性能越好。以强化传热综合评价因子作为优化的目标函数,旋流片存在一个最佳的几何结构形式,可以使湍流流体传热与流阻的综合性能评价因子大于 1。因为当采用间隔分置的旋流片作流体的传热强化时,由于旋流片是间隔分置一段较长距离,旋流片与流体的接触长度大幅减少,可以大幅降低旋流片与流体间的摩擦阻力和形体阻力。虽然在有旋流片的一段管道中,仍类似于长扭带内插管中,其η值小于 1,但在其后较长一段没有旋流片的管道中,流体由于自身的运动惯性产生了自旋流,此时由于纵向涡的作用使流体在边界区的速度增大而中心区的速度减缓,有利于提高传热系数与降低中心区的流体摩擦阻力,故使η值大于 1,最终可使有旋流片管段与没有旋流片管段(流体自旋段)两段总的η平均值大于 1,因而这种方法适合用于在湍流操作条件下的传热强化。由于光滑管内的湍流传热热阻 80%以上集中在边界区,单纯采用间隔分置的旋流片在湍流中心区并不能很有效地减少边界区的热阻,故其传热强化的幅度也同样受到限制。在粗糙强化管内间隔插入旋流片,由于旋流片的旋流作用,流体在粗糙管内每经过一个旋流片时可以产生螺旋流,而此螺旋流可以依靠流体自身的运动惯性在旋流片的下游保持一定距离的自旋流。此时纵向涡的存在改变了流体速度矢量场与温度梯度矢量场,特别是改变了轴向量纲为 1 温度梯度值的数量级,使其与径向量纲为 1 温度梯度基本在同一个数量级,改善了速度场与温度场的协同关系,强化了管内中心区的传热,克服了粗糙强化管仅依靠粗糙肋面作近壁强化传热的局限性,使整个流道的传热得以加强,同时又避免形成大的流动阻力。因此可以获得双重强化传热效果。     2 管间的复合强化传热       壳侧热阻在很多工业应用情况下起到控制热阻作用,强化壳侧传热具有非常现实的意义。强化壳程传热的方法主要有:①利用各种粗糙管[22-24],如缩放管、螺旋扁管和翅片管等双面强化传热;②改变壳程的结构,主要是采用流体压降较小的支撑物[25-27],如螺旋折流板、空心环网板等。空心环网板管间支撑最大的优点就是壳程流体轴向流动的形体阻力很小,有利于减少换热器的壳程压降,但支撑物本身对流体流动没有造成明显的改变,直接强化对流传热的作用较弱。朱瑞林等[28]在管间插入弹簧和扭片,发现管间流体由于弹簧和扭片的作用而产生螺旋流,增强了传热效果。但文献中没有进行流动阻力性能的研究。沿换热器管束轴向间隔分置于管隙间的旋流片网板(结构如图 2)在起到支撑管束作用的同时,不仅可以像空心环管间支撑物一样在壳程轴向流道中保持较大的空隙率,对流体的形体阻力较小,而且可使流体在经过旋流片支撑物之后形成自旋流的流动状态,从而发挥管间支撑物的对流强化传热作用,以弥补空心环的不足。旋流片网板的制作工艺也是比较简单的。在实验研究中,旋流片的调整类似于管内插入的情况。而在工业应用时,只需将换热器壳程同一横截面上的全部旋流片焊接固定在纵横扁钢网格上构成旋流网板结构即可。周水洪等[29]数值模拟分析了旋流网板换热器中旋流片强化传热机理,表明旋流片产生的自旋流具有高效低阻的优势,其性能优于空心环。与空心环管壳式换热器壳程轴流型的低阻高效空心环管间支撑物[22]相比,旋流片管间支撑物支撑缩放管束的传热与流阻综合性能评价因子可由 1.22 提升到 1.4,使空心环管壳式换热器的传热强化性能有了比较大幅度的提高。这种新的管间支撑物已从 2005 年初开始在硫酸工业中投入应用,换热器的换热性能较原空心环换热器可提高 15%~20%。                           王杨君等[30]对4种不同结构形式的旋流片支撑缩放管管束的传热与流动性能进行了实验研究,并与空心环网板支撑缩放管管束和缩放管管束无支撑两种情况进行比较,证实了旋流片与缩放管管束匹配具有明显的复合强化传热效果。但不同结构形式的旋流片支撑物与缩放管管束的配合对传热综合性能有很大的影响。在4种不同结构形式的旋流片支撑物中,270-45 和 180-45 两种支撑物的强化传热综合评价因子小于无支撑的缩放管管束,表明这两种旋流片反而削弱了缩放管的传热。这与旋流片作为管内插入物与缩放管复合使用时相似,即在复合强化传热中,旋流片强化传热作用的增强是以增大阻力为代价的。旋流片的旋转角度太小,则流体经过旋流片未能得到充分的旋流,传热效果不明显;旋流角度过大,旋流片的长度就很长,流体流经旋流片时的摩擦阻力和形体阻力就比较大。同样,旋流片的扭率太小,流体的形体阻力很大,其输送功率也很大;扭率太大,换热效果不明显;旋流片间隔分置的距离太大,则旋流片下游的自旋流衰减完全后还未进入下一周期的旋流,也就是存在没有自旋流的区域,因此强化传热效果不充分;旋流片间隔分置的距离太小,旋流片下游的自旋流还远没有衰减完全就进入下一轮的旋流,导致了没有完全利用自旋流的强化传热作用。可见,为了达到最佳的传热强化效果,必须找出最优的组合。     3 结 语      粗糙管换热器中带自旋流的复合强化传热方法是管壳式换热器中管程和壳程的传热强化的有效途径,对现有强化型换热器的传热强化技术进一步提高具有在概念与方向上拓展的意义。为获得换热器传热与流阻综合性能评价因子增幅最大,还需要更深入探讨其协同传热强化的规律性与优化的方法,研究两区协同传热强化的互补性与相关性,在两区的传热热阻分布及流体输送功耗的合理分配方面找到两区传热强化的最佳结合点,寻求出旋流片与粗糙肋面耦合的最佳结构。
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