高黏介质中内插扭带对换热管换热性能影响

胡斐，陆晓峰，朱晓磊



高黏介质中内插扭带对换热管换热性能影响

胡斐，陆晓峰，朱晓磊

（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 211816）

某石化公司炼油厂第二套常减压装置中换热器的热交换介质为高黏度的原油及其附属产品，在对流换热过程中传热系数低，动能消耗大。针对这一现状，本文设计了一种换热管内插间歇半扭带，利用计算流体力学软件Fluent对内插间歇半扭带换热管在实际工况下的换热过程进行数值模拟，与光滑管、内插连续扭带换热管进行了对比，并给出了间歇半扭带传热元件的优化设计参数。结果表明：内插间歇半扭带大幅提高了换热管内流体的努塞尔数，同时也使换热管内摩擦阻力系数增大；间歇半扭带换热管的换热效率比内插连续扭带换热管提高8%～12%；当间歇半扭带的扭曲率为10、连接杆长度为345mm时，换热效率最高，达到2.06。研究结果为该常减压装置换热器强化传热的研究提供了理论依据。

传热；内插扭带；高黏度；层流；数值模拟

某石化公司第二套常减压装置中换热器共79种类型，总计123台，换热介质为高黏度原油及其附属产品。高黏度流体在对流传热过程中传热系数低，动能消耗大，由此引起的换热器换热效率低，严重影响了石化装置的高效运行。

换热管内插扭带是管内强化传热方式的一种，扭带不仅加强了流体的湍动，同时增加了流体在管内的流动距离，因而提高换热系数。内插扭带具有结构简单、拆装方便、性能稳定等优点，在对现有管壳式换热器进行改造时具有明显的优势。

近年来，国内外学者在强化传热技术方面做了大量的工作，方法包括使用横纹槽管[1]、波纹管[2-3]、波节管[4]、螺旋槽管[5]、翅片管[6]以及管内插入物 等[7-10]。Date等[11-12]最早利用动量和热传导微分方程预测内插扭带换热管的摩擦、换热性能。Eiamsa-Ard等[13-14]通过实验研究了在均匀壁面热通量条件下扭带结构形式、分布关系以及结构尺寸对其努塞尔数、摩擦因子的影响。而国内孙东亮等[15]以空气为介质，通过CFD数值模拟，给出了内插连续扭带不同结构参数对其努赛尔数、速度环量和阻力系数的影响。谢洪虎等[16]对普通管壳式换热器壳程的换热管之间插入连续螺旋扭带进行了模拟，比较不同螺旋节距下连续型螺扭带对管壳式换热器强化传热的影响。

上述文献均针对高速、低黏流体换热管内插物强化机理及其影响因素进行了研究，本文基于低速、高黏流体的强化传热机理，结合该装置换热器实际运行工况，研究内插间歇半扭带对换热管内高黏度流体传热的影响，以期为提高常减压装置运行的经济性提供参考。

1 几何模型及网格划分

1.1 计算模型

图1为两种内插扭带结构简图，其中：(a)为连续扭带；(b)为间歇半扭带，是在连续扭带的基础上改进而来，间歇半扭带叶片扭转90°，中间用圆杆连接。

节距是扭带扭转180°的轴向长度，mm；为扭带宽度，mm；节距与扭带宽度之比称为扭曲比，其大小决定了内插扭带换热管内二次流强度，是扭带重要的几何参数。换热器常用换热管的规格为25mm×1mm，为了装拆方便，取扭带宽度为23mm；为了减小阻力，取扭带厚度为1mm。为了方便焊接，连接杆的直径大于1.414倍扭带厚度，本文取2mm。

1.2 网格划分

在CFD计算中，管程、壳程流体逆向流动，流体在内插扭带的换热管内流动，其迹线为螺旋线，导致换热管内部流场结构复杂，因此本文采用对复杂几何形状适应性较好的非结构四面体网格。网格划分如图2。

2 性能表征参数

努赛尔数和摩擦阻力系数是换热管传热性能和阻力性能主要的评价参数，其计算公式如式（1）、式（2）所示。

=（1）

式中，为对流换热系数，W/(m2·K)；为当量直径，mm；为工作流体的热导率，W/(m·K)；D为管内压力降，Pa；为换热管长度，mm；为工作流体的密度，kg/m³；为工作流体的平均流速，m/s。

内插扭带这类换热管强化传热元件不仅提高了努塞尔数，同时也使得摩擦阻力系数增加，为了更好地评价内插扭带对换热器性能的影响，本文采用换热效率其表达式如式（3）所示。

式中，、分别为插入扭带后换热管的努赛尔数和摩擦因子数；0、0分别为光管的努赛尔数和摩擦因子数。当大于1时，表明强化传热元件对换热管具有强化传热的作用。

3 数值模拟

3.1 换热管及换热介质定义

经过现场调研，常减压装置中换热管材质及结构参数如表1所示，计算工况及流体物性参数如表2所示。

表1 换热管尺寸及相关参数

表2 管内外介质相关参数

3.2 边界条件

（1）进口边界条件 采用速度进口条件，流动方向垂直于换热管进口截面。

（2）出口边界条件 采用自由出流边界条件，即假定流场在计算域出口已充分发展，出口边界无回流。

（3）壁面条件 扭带表面，连接杆表面，进、出水管路与流体相接触的所有界面均采用无滑移壁面边界条件。

3.3 计算方法

采用隐式分离式求解器（implicit segregated solver）；压力速度耦合方式选用标准SIMPLE算法；连续性方程、动量方程、能量方程均采用二阶迎风格式离散计算；欠松弛因子取默认值，即压力项0.3，动量项0.7，湍流黏性系数项1，湍动能项和湍流耗散率项0.8。

3.4 网格独立性及模型验证

为了检查数值计算的准确性，选取雷诺数=33、间歇半扭带扭曲率=10、连接杆长度=57.5mm时，分别对网格数量为200万、300万、400万、500万进行独立性验证。计算得到每种网格下换热管的努塞尔数和摩擦阻力系数，结果如表3所示。可以看出，相邻网格努塞尔数的最大偏差不超过0.226%。考虑到计算准确性和花费时间，最后选取网格数量为400万。本文利用的算法是根据文献[17]中所使用的方法，因此计算结果具有可靠性。

表3 不同网格数量下努塞尔数Nu和摩擦阻力系数f的 变化

4 计算结果与分析

4.1 扭带结构形式对换热管性能的影响

图3和图4为雷诺数分别为33、66、132、198、264时，光滑换热管、内插连续扭带换热管与内插间歇半扭带换热管的努赛尔数和摩擦阻力系数。两种结构的扭曲率都为10。

从图3中可以看出，光滑换热管、内插连续扭带换热管和内插间歇半扭带换热管的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大，光滑换热管努塞尔数变化较明显，两种内插扭带换热管努塞尔数变化较平缓。对于光滑换热管，随着雷诺数的增加，其湍动程度增加，导致努塞尔数变化较为明显。在雷诺数变化范围内，插入连续扭带换热管和插入间歇半扭带换热管的努塞尔数相差2%左右，并且都为光滑管的1.2～2.5倍。由于换热管插入扭带后，扭带对流体流动起主导作用，流动由层流变为湍流，增加了管内流体的湍动，因此努塞尔数随雷诺数变化不大。而插入两种结构形式扭带的换热管努塞尔数差别不大是由于两种扭带结构对管内流体扰动程度基本相同。

从图4可以看出，摩擦阻力系数随雷诺数的增大而减小。在相同雷诺数下，插入连续扭带换热管的摩擦阻力系数是光滑换热管的2.52～3.53倍；插入间歇半扭带换热管的摩擦阻力系数是光滑换热管的1.88～2.71倍。说明扭带内插物增加了换热管的摩擦阻力，且间歇半扭带对换热管产生的摩擦阻力小于连续扭带。这是因为内插扭带不但增加了管内流体的湍动，同时增加了流体在管内的流动距离。相同扭曲率下，连续扭带使流体产生连续的径向速度，在管道壁面的作用下产生滞止压力，而间歇半扭带无法使流体产生连续的径向速度，因此，间歇半扭带的摩擦阻力小于连续扭带。

图5为连续扭带换热管和间歇半扭带换热管的换热效率随雷诺数的变化规律。光滑管的换热效率为1。从图5可以看出，在雷诺数范围内，间歇半扭带换热管的换热效率比连续扭带换热管的换热效率提高8%～12%。这是因为两种结构形式的扭带内插物对努塞尔数的影响不大，但是间歇半扭带换热管的摩擦阻力系数小于连续扭带换热管，所以间歇半扭带的换热效率大于连续扭带。

4.2 间歇半扭带结构参数对换热管性能的影响

4.2.1 扭曲率y的影响

图6和图7表示间歇半扭带在雷诺数分别为33、66、132、198、264以及连接杆长度=57.5mm时，扭曲率（=6、8、10、12、14）的变化对努塞尔数和摩擦阻力系数的影响。

从图6可以看出，随着扭曲率的减小，努塞尔数逐渐减大。因为扭曲率减小，扭带扭曲程度增加，使得换热管内介质扰动程度增大，从而提高了努塞尔数。

从图7中可以看出，当流速较小时，即雷诺数为33和66时，随着扭曲率的增加，摩擦阻力系数先减小后增大；当扭曲率=10时，摩擦阻力系数最小。

因为扭曲率=10时，扭带的扭曲程度使流体产生扰动，二次流刚好与流体流速和黏度相适应，使摩擦阻力系数达到最低值。当流速较大时，即雷诺数为132、198和264时，摩擦阻力随着扭曲率变化不大。这是因为间歇半扭带产生的径向流速是不连续的，当流体的速度较大时，这种不连续的径向速度受到主体流速的抑制作用较大，因此，其摩擦阻力随着扭曲率增加变化不大。

图8为间歇扭带扭曲率变化对换热效率的影响。从图8可以看出，在相同雷诺数下，随着间歇半扭带扭曲率的增大，换热效率先增大后减小。间歇半扭带的扭曲率=10时，换热效率最高。因为当扭带扭曲率=10时，间歇半扭带既有效地增加了流体的扰动，使努塞尔数提高，又最低限度地增加了摩擦阻力，使换热效率达到最高。

4.2.2 连接杆长度s的影响

图9和图10为间歇半扭带在雷诺数分别为33、66、132、198、264以及扭曲率=10时，不同连接杆长度（=57.5mm、115mm、230mm、345mm、460mm）对努塞尔数和摩擦阻力系数的影响。

从图9可以看出，在不同雷诺数下，随着连杆长度的增加，努塞尔数变化不大。这是因为连杆的作用是连接两个半扭带，使其成为一个整体，方便装拆；且连杆的直径较小，对流体的阻碍作用也较小，因此，连杆的长度对努塞尔数的影响较小。从图10可以看出，随着连接杆长度的增加，摩擦阻力系数先减小后增大，当连接杆长度增加到345mm时，摩擦阻力系数达到最小值。这是因为流体流过扭带时，产生径向的流动，导致流体的湍动增加，使得换热管的努塞尔数增加；如果径向流动是连续的，则其摩擦阻力是径向流速的平方，且随着流速的增加而增大；如果径向流速是不连续的，径向流速受到主流体的抑制，随着流速的增加，径向流速受到主体流速的抑制作用增加，导致摩擦阻力逐渐减小。当连杆的长度为345mm时，主流体对径向流速的抑制作用和由流体引起的湍动作用达到一种平衡，导致其摩擦阻力 最小。

图11为间歇半扭带连接杆长度对换热效率的影响。从图11中可以看出，在相同雷诺数下，随着间歇半扭带连接杆长度的增大，换热效率先增大后减小。当连接杆长度=345mm时，换热效率最高。因为间歇半扭带连接杆长度=345mm时，既有效地增加了流体的湍动，使努塞尔数提高，又最低限度地增加了摩擦阻力，所以换热效率达到最高。

当雷诺数分别为33、66、132、198、264时，内插间歇半扭带（扭曲率=10，连接杆长度=345）换热管的换热量分别是光滑管的2.4倍、1.89倍、1.50倍、1.32倍、1.22倍，且当雷诺数为33、66、132、198时，换热管内插间歇半扭带的换热效率都大于1。因此当该公司换热设备中换热介质雷诺数小于等于198时，选择间歇半扭带内插物对原有设备进行改造，既可以使换热量得到提高，也使换热效率大于1，达到强化传热的效果。

5 结 论

本文应用计算流体力学软件Fluent，通过对内插扭带换热管进行模拟分析，研究了扭带内插物结构形式、结构参数对换热管换热性能的影响，得到如下结论。

（1）针对低速、高黏度换热管，内插间歇半扭带换热管比内插连续扭带换热管的换热效率高。

（2）针对间歇半扭带，随着扭曲率的增加，换热效率先增大后减小；随着连接杆长度的增加，换热效率先增大后减小。经过对比发现，当扭曲率为10、连接杆长度为345mm时，间歇半扭带对低速、高黏度流体具有较好的强化传热效果。

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Influences of an inserted twisted tape on the heat transfer performances of a tube with high viscous medium

HU Fei，LU Xiaofeng，ZHU Xiaolei

（College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech. University，Nanjing 211816，Jiangsu，China）

The high viscosity of the heat transfer medium in the crude oil distillation unit in oil refinery process will normally lead to low heat transfer efficiency and high kinetic energy consumption. To solve the problem，this research designed a segmented semi-twisted tape to conduct numerical simulation of the heat transfer process of the tube with a segmented semi-twisted tape under actual conditions，using FLUENT. The heat transfer parameters in plain tube and tube with a continuous twisted tape were compared. The simulation provided optimum design parameters of the segmented semi-twisted tape. The results showed that the segmented semi-twisted tape improved(Nusselt number) of the fluid in a heat transfer tube as well as(friction factor)，and(heat transfer efficiency) of the tube with a segmented semi-twisted tape was increased by 8%—12% compared the tube with a continuous twisted tape. The value ofreached the highest number of 2.06 when(twist ratio of the segmented semi-twisted tape)was 10 and(length of the connection rod) was 345mm. The results provided a theoretical basis for the study of enhanced heat transfer of a heat exchanger in a crude oil unit.

heat transfer；inserted tape；high viscosity；laminar flow；numerical simulation

TK124

A

1000–6613（2015）09–3232–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.004

2015-02-05；修改稿日期：2015-03-16。

胡斐（1989—），男，硕士研究生，研究方向为新型高效传热传质设备。E-mail 1015271990@qq.com。联系人：陆晓峰，教授，研究方向为强化传热机理及技术与流体机械的结构与强度。E-mail xflu@njtech.edu.cn。