摘要：為了提高針翅管的傳熱效果,對針翅的長度、直徑、間距和傾角等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合,對針翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用正交設(shè)計方法,分別模擬9組針翅管的壓降及傳熱性能,流體介質(zhì)為水-柴油,物性參數(shù)為等效溫度下的常量。結(jié)果表明,針翅管有較大的擴(kuò)展表面,且針翅對流體有擾動作用,能大幅度地提高外傳熱膜系數(shù);在所選針翅傳熱性能的4個影響因素中,針翅縱向間距是最敏感的。最后從理論上指出下一步強(qiáng)化傳熱的發(fā)展趨勢,即改變縱向間距或改變針翅間的傾斜角度。
    關(guān)鍵詞：針翅換熱器　正交設(shè)計　強(qiáng)化傳熱　優(yōu)化
    　引　言
    近年來,國內(nèi)在石化換熱設(shè)備強(qiáng)化傳熱方面,雖然對油品的換熱采用了低翅片螺紋管,擴(kuò)大了傳熱面積,但強(qiáng)化傳熱仍然有限,對結(jié)垢和結(jié)焦難題仍沒有很好地解決。針翅管能夠強(qiáng)化傳熱,在運(yùn)行中積垢較少,且耐腐蝕,特別是高粘度介質(zhì)對其污染程度輕。正因?yàn)槿绱?針翅管可解決高粘度流體結(jié)垢和結(jié)焦問題以及高溫腐蝕性煙塵氣的積灰問題,具有其他強(qiáng)化傳熱管無可比擬的優(yōu)越性。我國哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的配“齊魯150 T/h”D型爐渣油加熱采用太陽棒針翅管結(jié)構(gòu),有效地解決了強(qiáng)化傳熱和防止污垢等問題。華南理工大學(xué)化工機(jī)械與安全工程研究所對此進(jìn)行了多年的研究,并與中國石化集團(tuán)公司北京設(shè)計院合作,對針翅管傳熱效果及流體力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究[1],研制出斜針翅高效傳熱元件。該元件對管外是高粘度油品傳熱的管殼式換熱器強(qiáng)化效果顯著[2]。增大針翅長度、減少針翅間距,可以增大翅化系數(shù),從而增強(qiáng)傳熱。但隨著針翅長度的增加,導(dǎo)熱熱阻也隨之增大,針翅效率則逐漸降低,壓降增大,管束直徑也增大。當(dāng)針翅長度增大到一定程度時,翅片的導(dǎo)熱熱阻和金屬耗量會大到足以抵消由于傳熱面積增加所帶來的收益時,進(jìn)一步增大針翅長度對強(qiáng)化傳熱就沒有任何意義了,這就存在一個最佳長度的選擇。另外,對于一定的畢渥數(shù)Bi,針翅直徑的增大,間距的減小,可以增加傳熱量但是針翅間距的減小又限制了針翅直徑的變化范圍[3]。因此,要想得到較好的傳熱效果,必須對針翅的長度、直徑、間距、傾角等參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)組合,對針翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
    　數(shù)學(xué)模型建立與邊界條件
    1、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定
    筆者建立的針翅管模型如圖1所示。
               
    尋找針翅管表面的最佳幾何參數(shù),使單位傳熱量的換熱器體積最小。若忽略管壁及污垢熱阻,則針翅管的傳熱熱阻為[4]:
               
             
    當(dāng)φ值最小時,V/S也是最小值,式(3)或(4)即為單位溫差傳熱量所需換熱器體積最小時的目標(biāo)函數(shù)。在針翅管基管直徑d0給定的情況下,式(3)中的獨(dú)立變量可表示為:
    φ=φ(l,d,nt, s,αi,αo) (5)
    針翅管內(nèi)側(cè)傳熱膜系數(shù)αi值與擴(kuò)展表面的幾何參數(shù)及流動條件無關(guān),可作常數(shù)處理,而針翅管外側(cè)傳熱膜系數(shù)αo值取決于擴(kuò)展表面的幾何參數(shù)和流動條件。筆者在設(shè)計針翅管時,考慮l、s、nt、d4個因素,且各取3個水平,同時考慮其相互約束,得因素與水平參數(shù),如表1所示。
              
    2、　流體物性及邊界條件
    筆者采用正交設(shè)計方法,分別模擬9組針翅管的壓降及傳熱性能。流體介質(zhì)為水-柴油,柴油走殼程,熱水走管程,物性參數(shù)為等效溫度下的常量;管程流體和殼程流體采用逆流形式換熱;試驗(yàn)中,殼程流體Re<2 300,其流動為層流,設(shè)定粘性模型為層流模型;而管程流體Re>10 000,為旺盛湍流,設(shè)定粘性模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。管程和殼程進(jìn)口溫度分別設(shè)為343·55、307·85 K[5];由于針翅管套管換熱器的殼程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格劃分。模型中邊界類型有4種:進(jìn)口、出口、管壁和殼壁與實(shí)體(傳熱壁和釘頭)[6]。針翅管套管換熱器管程和殼程流體的熱傳遞和流動必須滿足基本控制方程,即能量方程、質(zhì)量守恒方程、動量方程。內(nèi)外管壁采用隱式分離求解對流與熱傳導(dǎo)的熱量交換;殼體壁面采用不可滲透、無滑移絕熱邊界。根據(jù)正交表[7],共設(shè)計9種管型,各管型幾何參數(shù)見表2。
               
    　數(shù)值模擬和正交設(shè)計結(jié)果分析
    1、　溫度場矢量圖
    圖2a是針翅管換熱器截面溫度矢量圖(Z=400 mm)。從圖可以看出,管程的平均溫度約345K,殼程的平均溫度約309 K,針翅周圍溫度明顯呈梯度分布,溫度最低處約312 K,這是殼程流體與釘頭的熱交換所致;傳熱管壁的溫度大約為334K,殼程有釘頭的部位溫度比殼程其他部位偏高;而管程內(nèi)靠近管壁面的部位溫度稍低。
              
    從圖2b可以看出,傳熱管外壁的溫度大約為334 K,在有針翅的部位溫度比壁面其他部位高;針翅周圍溫度明顯呈梯度分布,溫度最低處約313K,最高處約為334 K,殼程流體與針翅存在熱交換現(xiàn)象。
    2、　殼程靜壓損失與靜壓力分布
    圖3為殼程靜壓分布與流體靜壓損失圖。其中圖3a為殼程流體從進(jìn)口(Z=100 mm)到出口(Z=800mm)的靜壓力分布圖。由圖可以看出,從進(jìn)口到出口,殼程流體壓降變化是有規(guī)律的,在Z=100~800mm,壓降呈階梯狀變化,這是因?yàn)榇硕斡嗅槼岬姆植?總的殼程壓降變化約為160 Pa。圖3為與之對應(yīng)的換熱器殼程流體靜壓損失圖,其壓降變化趨勢與圖3a較接近,呈階梯狀分布。
              
    3、　軸線方向流體質(zhì)點(diǎn)跡線圖
    圖4為殼程流體從進(jìn)口到出口沿軸線方向流動時流體質(zhì)點(diǎn)的跡線圖。由圖可以看出,流體從進(jìn)口進(jìn)入后,在進(jìn)行軸向流動的同時,當(dāng)流經(jīng)針翅時所有針翅都受到流體的橫向擾流,提高了流體的擾流度。同時,當(dāng)流體流入針翅管束時,在前置針翅上開始形成層流邊界層,但邊界層隨即在后置針翅上被破壞,并在后置針翅的漩渦區(qū)中消失。隨后再在下一排針翅上形成新的邊界層,又反復(fù)被破壞使整個換熱面充分利用邊界層起始段薄、熱阻較小的有利條件。
               
    4、　數(shù)值模擬結(jié)果分析
    圖5是光管、直針翅管和斜針翅管套管換熱器模擬的殼程總傳熱系數(shù)K、壓降、外傳熱膜系數(shù)αo和綜合換熱性能(采用ho/Δp評價其綜合換熱性能)隨殼程進(jìn)口速度的變化曲線。
               
    保持管程流速基本不變,改變殼程流速時,可以看出:
    (1)針翅管套管換熱器和光管換熱器的總傳熱系數(shù)K、壓降、外傳熱膜系數(shù)均隨管內(nèi)外進(jìn)口流速的增加而增加,且針翅管均明顯高于光管;
    (2)在同樣低的殼程進(jìn)口流速狀態(tài)下,針翅管管外綜合換熱性能明顯優(yōu)于光管;
    (3)隨著殼程流速的增大,針翅管換熱器和光管換熱器的ho/Δp均隨管外流速的增加而降低;
    (4)模擬結(jié)果表明, 7號管的傳熱效果最佳2號管在低雷諾數(shù)下的綜合換熱性能最佳。
    5、　正交設(shè)計結(jié)果分析
    以傳熱系數(shù)K作為考查指標(biāo)來對針翅式換熱器的正交設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。
               
    從表3可以看出, 7號管的傳熱系數(shù)最大,其值為369W / (m2·℃)。計算每個因素水平導(dǎo)致結(jié)果之和的極差ΔK,見表4。根據(jù)極差大小順次排出因素的主次順序?yàn)锽(s) >A(l) >C(n) >D(d)。
               
    根據(jù)表4所列出的計算數(shù)據(jù)作各因素對傳熱影響水平的趨勢圖(圖6)。從中可以確定每個因素的可能最佳水平。最后在因素和所選水平中便可以找出“可能最優(yōu)方案的答案”是B1(s) >A3(l) >C2(nt) >D3(d)。
               
    從以上的結(jié)果分析可知,在所選的針翅傳熱性能的4個影響因素中,針翅間距最為敏感。在以后對換熱器性能的研究中,主要的工作應(yīng)該放在改變針翅間距上,從而達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化和緊湊的目的。
    　結(jié)　論
    (1)模擬結(jié)果表明, 7號管的傳熱效果最佳。
    (2)針翅管具有較大的擴(kuò)展表面,且針翅對流體有擾動作用,能較大幅度地提高外傳熱膜系數(shù);與光管相比,低雷諾數(shù)下的強(qiáng)化倍數(shù)大于高雷諾數(shù)下的強(qiáng)化倍數(shù),特別適用于高粘度油品介質(zhì)的強(qiáng)化傳熱場合。
    (3)通過對正交設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析,得出了4個影響因素之間的靈敏度差異,其中針翅縱向間距是最為敏感的。因此,從理論上得出了強(qiáng)化傳熱下一步的發(fā)展趨勢,即改變針翅縱向間距或針翅間的傾斜角度,能更好地達(dá)到針翅管強(qiáng)化傳熱和緊湊性的目的。