螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器的研究成果

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧，阜新123000）

摘要：從流場和溫度場相互配合的角度出發(fā)對管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的作用進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，即殼程介質(zhì)入口封頭設(shè)置固定螺旋形折流板、介質(zhì)出口封頭設(shè)置旋轉(zhuǎn)螺旋片，采用強(qiáng)化傳熱橢圓截面換熱管加工成螺旋形組成管束作為主要換熱元件，改變換熱器的結(jié)構(gòu)形式和流程，形成橢圓螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器。其殼程側(cè)流場和溫度場二維平均協(xié)同系數(shù)與理想二維流場溫度場協(xié)同最大值比較接近，其結(jié)構(gòu)達(dá)到了最優(yōu)化程度，是換熱器比較理想的一種結(jié)構(gòu)形式。對提升我國（地源）熱泵機(jī)組換熱器的性能有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:殼程 旋轉(zhuǎn)流動 流場 溫度場

中圖分類號：TB657.5       文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
 

Research production of the thermal exchanger to form the spiral flowing shell-and-tube thermal exchanger with the ellipsical spiral controlling flyback screw axis

(College of Civil Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin, 123000, Liaoning ,China)

Abstract: A study is made from the cooperation between the flow field and the temperature field and a special structure is designed. That is, to fix a fixed spiral baffle at the entrance of the shell pass medium, a rotary flight at the exit of the end plate over of the medium, reinforc ellipsical-section thermal exchange pipe into spiral as the main thermal-exchange element, then change the structure and flow of the thermal exchanger to form the spiral flowing shell-and-tube thermal exchanger with the ellipsical spiral controlling flyback screw axis. It is a kind of ideal structure as a thermal exchanger, as it optimize the structure and the maximum of ideal 2D temperature field cooperate with the average cooperating coefficient of the shell side pass flow field and the temperature field of it. The study in the paper has important practical significance and guiding significance to improve the heat exchanger performance of domestic ground source heat pumps.

Keywords:shell pass,  rotary flow, flow field, temperature field


引言

    地源熱泵技術(shù)是目前中國建筑中央空調(diào)領(lǐng)域正在興起的一項(xiàng)革命性新技術(shù)。我國政府及企業(yè)界正致力于這一新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。作為建筑暖通空調(diào)行業(yè)的理論工作者，也全身心致力于地源熱泵項(xiàng)目的技術(shù)研究，產(chǎn)品研發(fā)工作。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用含有大量能源的土壤（地下水）作為吸熱或排熱的熱交換器，實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)；當(dāng)多數(shù)熱泵在制熱模式時，就從土壤（地下水）中吸收熱量；當(dāng)多數(shù)熱泵在制冷模式時，就將熱量排放在土壤（地下水）中,土壤（地下水）提供了一個絕好的免費(fèi)的能量存儲源泉。

    地源熱泵技術(shù)中有一種重要的換熱設(shè)備一般采用板式換熱器，板式換熱器的最大缺點(diǎn)是重量大，而且加工成本高，承壓能力低。隨著地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，其缺點(diǎn)也日益突出?，F(xiàn)研究出一種螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器來代替板式換熱器，用于改善（地源）熱泵機(jī)組換熱器的性能，減輕換熱器重量，減小體積、降低生產(chǎn)成本。

1.螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器^[1]原理

    螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器，是以傳統(tǒng)管殼式換熱器為基礎(chǔ)，采用橢圓形截面換熱管為換熱元件，并設(shè)計(jì)了多種特殊結(jié)構(gòu)的組件，取消常規(guī)管殼式換熱器的折流板、管板，管殼結(jié)構(gòu)采用常規(guī)管殼式換熱器的零部件。在換熱器內(nèi)兩種介質(zhì)在殼程和管程內(nèi)呈相對逆相流動，在換熱管管束表面呈叉流流動。

    在殼程內(nèi)一種介質(zhì)從一側(cè)封頭直線流動進(jìn)入封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在固定旋轉(zhuǎn)折流板內(nèi)介質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)折流板的曲線形角度流動，流出旋轉(zhuǎn)折流板后，介質(zhì)改變成沿軸線成45o角旋轉(zhuǎn)的切向流掠過流量回流管進(jìn)入筒體內(nèi)的橢圓螺旋換熱管管束間。在主渦流腔、輔渦流腔內(nèi)本已旋轉(zhuǎn)的介質(zhì)，受到旋轉(zhuǎn)截面的作用產(chǎn)生向心力和離心力；主渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力大于輔渦流腔內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向心力和離心力，它們兩股旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動本身已旋轉(zhuǎn)流動的介質(zhì)加速旋轉(zhuǎn)向上流動。在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)流動中心壓力較低，使整個旋轉(zhuǎn)介質(zhì)受到向心力的作用；同時介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)過程中又受到離心力作用，產(chǎn)生復(fù)雜的以旋轉(zhuǎn)和周期性的介質(zhì)分離與混合為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動。在向心力和離心力平衡的范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)形成渦流，渦流收束于核心區(qū)并流向介質(zhì)出口。在出口封頭處，旋轉(zhuǎn)介質(zhì)帶動旋轉(zhuǎn)螺旋片轉(zhuǎn)動，在旋轉(zhuǎn)螺旋片內(nèi)介質(zhì)由旋轉(zhuǎn)流動改變成直線流動，結(jié)果是動壓減小靜壓增加，介質(zhì)在殼程內(nèi)的阻力損失降低。

    管程介質(zhì)從筒體上的兩個接管沿與筒體相切的角度流入流量分配管的兩個入口，介質(zhì)經(jīng)流量分配管均勻分配給每個橢圓螺旋換熱管（外側(cè)橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速高，流動距離長，流動阻力大；中心處橢圓螺旋換熱管內(nèi)介質(zhì)流速低，流動距離短，流動阻力?。?，在橢圓螺旋換熱管內(nèi)螺旋流動。流量分配管和換熱管截面采用的橢圓形截面具有強(qiáng)化傳熱[ 4 ]的功能，并且介質(zhì)產(chǎn)生以縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋流為主要特點(diǎn)的強(qiáng)擾動，更能提高傳熱效率。

2  螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式^[2]

    螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)完全不同。換熱器外殼由兩側(cè)封頭和中間筒體組成，內(nèi)部由橢圓螺旋換熱管組成管束，橢圓螺旋換熱管管束構(gòu)成換熱器的主傳熱元件；橢圓螺旋換熱管管束布置成兩個主介質(zhì)螺旋流動通道，叫主渦流腔；兩個輔介質(zhì)螺旋流動通道，叫輔渦流腔；其余橢圓螺旋換熱管管束成螺旋形狀均勻分布，介質(zhì)也在橢圓螺旋換熱管管束間隙中均勻分布。橢圓螺旋換熱管管束兩端固定在螺旋形流量分配管、流量匯流管上，流量分配管、流量匯流管與殼體連接在一起；流量分配管、流量匯流管為輔傳熱元件。殼體的兩端設(shè)有封頭，在封頭和殼體上設(shè)有流體的進(jìn)出口，在封頭的流體進(jìn)口側(cè)設(shè)有封頭固定旋轉(zhuǎn)折流板，在封頭的流體出口側(cè)設(shè)有封頭旋轉(zhuǎn)螺旋片。低溫低壓介質(zhì)在封頭的流體進(jìn)口進(jìn)入筒體，在筒體內(nèi)經(jīng)過橢圓螺旋換熱管管束表面換熱后從另一側(cè)封頭出口流出，稱為殼程；另一種高溫介質(zhì)從筒體上的兩個接管沿與筒體相切的角度流入流量分配管，經(jīng)流量分配管進(jìn)入橢圓螺旋換熱管管束內(nèi)，從另一側(cè)流量匯流管匯流，經(jīng)與筒體相切的角度上的一組接管流出，稱為管程。其結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖2(a)換熱器組裝圖   圖2(b)封頭固定旋轉(zhuǎn)   圖2(c)封頭旋轉(zhuǎn)

折流板   螺旋片圖2(d)流量匯流管平面圖     圖2(e)流量分配管平面圖       

3.螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器特點(diǎn)

（1）管程和殼程可同時強(qiáng)化加熱。
 
（2）強(qiáng)化傳熱效果好，殼程流阻較小。螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器的總換熱系數(shù)比普通管殼式換熱器的總換熱系^[3]數(shù)一般可提高45﹪以上。 

（3）使用壽命長。由于旋流高效換熱器殼程物流上為縱向流動，明顯的減少了管束的震動，大大降低了由于管束震動而造成的換熱管破裂等失效的可能性；同時也有效的消除了殼程物流橫向流動的“死區(qū)”，降低了積垢速率，從而延長了換熱器的使用壽命。 

（4）取消折流板、管板，簡化了加工方法；減小了換熱器的體積并節(jié)約原材料，降低了制造成本。

4.結(jié)論

    螺旋管束全逆程螺旋流管殼式換熱器理論上在整個二維的平均協(xié)同系數(shù)與理想二維流場溫度場協(xié)同最大值^[4]比較接近，其結(jié)構(gòu)達(dá)到了最優(yōu)化程度，是換熱器比較理想的一種結(jié)構(gòu)形式，殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果是同強(qiáng)化管束的優(yōu)化組合相聯(lián)系而產(chǎn)生的。該項(xiàng)研究成果填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，對提升我國（地源）熱泵機(jī)組換熱器的性能有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。但換熱管束剛度低，其振動計(jì)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)時應(yīng)注意；管程、殼程壓力損失小，換熱器運(yùn)行費(fèi)用低；取消折流板、管板，減小了換熱器的體積和節(jié)約原材料，降低了制造成本，是當(dāng)前推崇的換熱器產(chǎn)品。

 （責(zé)編：雅麗）

 
備注：《地源熱泵》雜志專稿，轉(zhuǎn)載，請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”或《地源熱泵》雜志