换热器是工程技术中广泛采用的冷热流体交换热量的设备。换热器可以按不同的方式分类, 按换热器操作过程可分为间壁式、混合式和蓄热式三大类。其中, 管壳式换热器是间壁式换热器的一种主要形式^[1]。管壳式换热器是诞生至今应用最为广泛的一种换热器, 从发展状况看, 针对管壳式的结构改进包括管程和壳程两个部分。而对于管程结构的改进主要集中在管内插入物与传热管的设计优化^[2]。

扭曲椭圆管是一种高效强化传热的换热管, 经钢带捆扎后的扭曲椭圆管管束在最大变径凸点处相互接触, 可形成自支撑结构, 减少振动^{[3, 4]}。刘世杰等^[5]利用FLUENT软件, 研究了扭曲椭圆管的不同结构参数对管内传热与压降性能的影响, 结果显示, 由于受到离心力的作用, 流体在扭曲椭圆管内产生了垂直于主流方向上的二次流, 促进了边界层与主流区的径向混合, 强化了传热。郝洪亮等^[6]对采用扭曲椭圆管和H型翅片管的换热器进行了试验测试, 结果表明, 扭曲椭圆管换热器壳侧传热系数明显优于H型翅片管换热器, 且空气流速越大, 优势越明显, 但同时压降也会增大。TAN等^[7]对扭曲椭圆管换热器整体性能的研究表明, 扭曲椭圆管换热器在管侧低流量和壳侧高流量情况下均具有较好的换热性能。LI等^[8]采用扭曲椭圆管作内管, 可使材料的综合传热性能提高24.0% ~ 39.0%。内扭曲椭圆管的左右扭转方向对壳程传热的强化有相同的影响。DZYUBENKO^[9]采用数值计算的方法对扭曲椭圆管束间流动和换热情况进行了研究, 得出了三扭曲椭圆管管束中速度场和温度场的计算方法。陈文静^[10]通过数值模拟的方法研究扭曲管扭转方向对管壳式换热器壳侧换热性能的影响, 存在最佳的短长轴比和扭矩能够使得换热器的换热性能更优。

基于扭曲椭圆管的管壳式换热器是一种紧凑式换热器, 由其组成带热回收功能的新风系统, 国内外尚未有报道。本文应用FLUENT软件对换热器壳程强化传热特性展开数值研究, 模拟分析不同螺距、不同壳程开孔面积对换热器壳程对流换热系数、压降的影响, 并分析其温度流场和速度流场, 研究结果可为扭曲椭圆管管壳式换热器的工程应用提供一定的参考。

为了验证本文计算模型的准确性, 搭建了新风系统测试平台, 对尺寸结构长轴A = 12 mm、短轴B = 7.774 mm、螺距P = 120 mm的新风系统, 新风量与回风量相同, 选取两室法来进行${{\eta }_{\text{wd}}}$的测试^[12], 图6为实验装置示意图, 图7为实验测试平台。在夏季标准工况下新风系统稳定运行30 min后, 采用热电阻温度采集模块进行连续30 min测试, 分别测试新风出口温度T_xc、排风进口温度T_pj、新风进口温度T_xj, 每隔1 min测试1组数据, 取平均值进行计算${{\eta }_{\text{wd}}}$。实验结果与模拟结果的对比如图8所示, 最大误差为8.5%, 尚在工程应用允许的误差范围内。分析误差产生的主要原因是温度探头设置位置在整机的进出口, 与新风系统换热器内部的进出口位置有一段距离, 新风在到达换热器之前会有部分的换热, 导致实验值比模拟值效果更好, 造成温度误差。

图6

Fig. 6

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	图6 实验装置示意图Fig. 6 Diagram of the experimental setup

图7

Fig. 7

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	图7 实验测试平台Fig. 7 The experimental test platform

图8

Fig. 8

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	图8 温度交换效率${{\eta }_{\text{wd}}}$实验值与模拟值对比Fig. 8 Comparison of experimental and simulated temperature exchange efficiency ${{\eta }_{\text{wd}}}$

图17展现了扭曲椭圆管换热器和普通圆管换热器壳程流道内的流线分布, 截面位置依次为z = 150 mm、z = 230 mm、z = 310 mm、z = 390 mm、z = 470 mm、z = 550 mm。

图17

Fig. 17

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	图17 换热器壳程流线分布特点Fig. 17 Streamline distribution on shell-side of heat transfer

在普通圆管换热器壳程流道内, 空气均为纵向的平行流, 流动状态相对稳定, 没有垂直于主流方向上的扰流和流体间相互干扰的现象。而在扭曲椭圆管换热器壳程流道内, 空气呈现出了明显的沿着扭曲椭圆管壁面的螺旋流, 这种螺旋流的存在使得空气在扭曲椭圆管换热器壳程流道内的流动状态与普通圆管换热器壳程流道内的流动状态大为不同, 温度分布也因此而改变。螺旋流不仅造成了空气在垂直于主流方向上剧烈的混合扰动, 而且形成了对扭曲椭圆管壁面的冲刷作用, 扰动了热边界层, 增强了换热效果。

图18是在同一风量18 m³/h下, 不同壳程开孔面积的换热器出口处（截面z = 150 mm）速度云图对比情况。扭曲椭圆管换热器的横截面有明显的速度边界层, 在截面大的区域流速大, 呈现出多个“ 椭圆” 形状分布, 符合流体向阻力小的方向流动。随着壳程开孔面积的增大, 出口处的流体高速度区域范围变得越小。

图18

Fig. 18

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	图18 不同壳程开孔面积Ax在出口处的速度云图Fig. 18 Velocity cloud of different shell-side opening area Axat the outlet

图19是在同一风量18 m³/h下, 不同P的换热器在出口处（截面z = 150 mm）温度云图对比情况。由于P的不同, 同一截面处, 扭曲椭圆管的方向也有所不同, 但在长轴凸点附近的速度较小, 对流换热系数小, 因此相应的温度边界层一致显示为厚度大。当P减小时, 单位长度的扭曲椭圆管扭转圈数越多, 壳侧的流体和主流方向的流体也会经过多次的翻转造成充分混合, 增强换热效果。

图19

Fig. 19

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	图19 不同螺距P在出口处的温度云图Fig. 19 Temperature cloud of different pitch P at the outlet

通过FLUENT软件研究扭曲椭圆管新风系统换热器壳侧的强化传热特性, 分析对流换热系数、压降在不同壳程开孔面积、不同螺距下受到不同的影响, 得出以下结论：

（1）在本文研究范围内, 相同体积流量下, 随着壳程开孔面积的增大, 对流换热系数h不断减小, 压降Δ p不断减小, 但壳程开孔面积从4 914 mm²变化到5 670 mm²时, 综合性能系数h/Δ p^1/3变化不明显。

（2）相同体积流量下, 随着螺距的减小, 对流换热系数h不断增大, 压降Δ p不断增大。螺距从120 mm变化到80 mm时, 对流换热系数h从36.9增加到40.1, 综合性能系数h/Δ p^1/3增加4.4%。

（3）由扭曲椭圆管换热器组成的新风系统的温度交换效率随着壳程开孔面积的增大而减小, 随着螺距的减小而增大。

（4）流场云图显示, 由于扭曲椭圆管结构的特殊性, 壳程流道内沿着扭曲椭圆管壁面的螺旋流对传热有明显的强化作用, 长轴凸点的存在对流场的分布有所影响, 因此扭曲椭圆管的长短轴对其强化传热的影响可作为下一步的研究方向。