螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器的研究成果

螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器的研究成果

（辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁，阜新123000）

摘要：从流场和温度场相互配合的角度出发对管壳式换热器结构的作用进行研究，设计出一种独特的结构形式，即壳程介质入口封头设置固定螺旋形折流板、介质出口封头设置旋转螺旋片，采用强化传热椭圆截面换热管加工成螺旋形组成管束作为主要换热元件，改变换热器的结构形式和流程，形成椭圆螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器。其壳程侧流场和温度场二维平均协同系数与理想二维流场温度场协同最大值比较接近，其结构达到了最优化程度，是换热器比较理想的一种结构形式。对提升我国（地源）热泵机组换热器的性能有很重要的现实意义和指导意义。

关键词:壳程 旋转流动 流场 温度场

中图分类号：TB657.5       文献标识码：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

    地源热泵技术是目前中国建筑中央空调领域正在兴起的一项革命性新技术。我国政府及企业界正致力于这一新技术的应用和推广。作为建筑暖通空调行业的理论工作者，也全身心致力于地源热泵项目的技术研究，产品研发工作。地源热泵空调系统是一种利用含有大量能源的土壤（地下水）作为吸热或排热的热交换器，实现空气调节的系统；当多数热泵在制热模式时，就从土壤（地下水）中吸收热量；当多数热泵在制冷模式时，就将热量排放在土壤（地下水）中,土壤（地下水）提供了一个绝好的免费的能量存储源泉。

    地源热泵技术中有一种重要的换热设备一般采用板式换热器，板式换热器的最大缺点是重量大，而且加工成本高，承压能力低。随着地源热泵技术的发展，其缺点也日益突出。现研究出一种螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器来代替板式换热器，用于改善（地源）热泵机组换热器的性能，减轻换热器重量，减小体积、降低生产成本。

1.螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器^[1]原理

    螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器，是以传统管壳式换热器为基础，采用椭圆形截面换热管为换热元件，并设计了多种特殊结构的组件，取消常规管壳式换热器的折流板、管板，管壳结构采用常规管壳式换热器的零部件。在换热器内两种介质在壳程和管程内呈相对逆相流动，在换热管管束表面呈叉流流动。

    在壳程内一种介质从一侧封头直线流动进入封头固定旋转折流板，在固定旋转折流板内介质沿旋转折流板的曲线形角度流动，流出旋转折流板后，介质改变成沿轴线成45o角旋转的切向流掠过流量回流管进入筒体内的椭圆螺旋换热管管束间。在主涡流腔、辅涡流腔内本已旋转的介质，受到旋转截面的作用产生向心力和离心力；主涡流腔内介质产生的向心力和离心力大于辅涡流腔内介质产生的向心力和离心力，它们两股旋转介质带动本身已旋转流动的介质加速旋转向上流动。在旋转介质流动中心压力较低，使整个旋转介质受到向心力的作用；同时介质在旋转过程中又受到离心力作用，产生复杂的以旋转和周期性的介质分离与混合为主要特点的强扰动。在向心力和离心力平衡的范围内，旋转介质形成涡流，涡流收束于核心区并流向介质出口。在出口封头处，旋转介质带动旋转螺旋片转动，在旋转螺旋片内介质由旋转流动改变成直线流动，结果是动压减小静压增加，介质在壳程内的阻力损失降低。

    管程介质从筒体上的两个接管沿与筒体相切的角度流入流量分配管的两个入口，介质经流量分配管均匀分配给每个椭圆螺旋换热管（外侧椭圆螺旋换热管内介质流速高，流动距离长，流动阻力大；中心处椭圆螺旋换热管内介质流速低，流动距离短，流动阻力小），在椭圆螺旋换热管内螺旋流动。流量分配管和换热管截面采用的椭圆形截面具有强化传热[ 4 ]的功能，并且介质产生以纵向旋转和二次旋流为主要特点的强扰动，更能提高传热效率。

2  螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器结构形式^[2]

    螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器在结构上与传统管壳式换热器的结构完全不同。换热器外壳由两侧封头和中间筒体组成，内部由椭圆螺旋换热管组成管束，椭圆螺旋换热管管束构成换热器的主传热元件；椭圆螺旋换热管管束布置成两个主介质螺旋流动通道，叫主涡流腔；两个辅介质螺旋流动通道，叫辅涡流腔；其余椭圆螺旋换热管管束成螺旋形状均匀分布，介质也在椭圆螺旋换热管管束间隙中均匀分布。椭圆螺旋换热管管束两端固定在螺旋形流量分配管、流量汇流管上，流量分配管、流量汇流管与壳体连接在一起；流量分配管、流量汇流管为辅传热元件。壳体的两端设有封头，在封头和壳体上设有流体的进出口，在封头的流体进口侧设有封头固定旋转折流板，在封头的流体出口侧设有封头旋转螺旋片。低温低压介质在封头的流体进口进入筒体，在筒体内经过椭圆螺旋换热管管束表面换热后从另一侧封头出口流出，称为壳程；另一种高温介质从筒体上的两个接管沿与筒体相切的角度流入流量分配管，经流量分配管进入椭圆螺旋换热管管束内，从另一侧流量汇流管汇流，经与筒体相切的角度上的一组接管流出，称为管程。其结构形式如图1。

图2(a)换热器组装图   图2(b)封头固定旋转   图2(c)封头旋转

折流板   螺旋片图2(d)流量汇流管平面图     图2(e)流量分配管平面图       

3.螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器特点

（1）管程和壳程可同时强化加热。
 
（2）强化传热效果好，壳程流阻较小。螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器的总换热系数比普通管壳式换热器的总换热系^[3]数一般可提高45﹪以上。 

（3）使用寿命长。由于旋流高效换热器壳程物流上为纵向流动，明显的减少了管束的震动，大大降低了由于管束震动而造成的换热管破裂等失效的可能性；同时也有效的消除了壳程物流横向流动的“死区”，降低了积垢速率，从而延长了换热器的使用寿命。 

（4）取消折流板、管板，简化了加工方法；减小了换热器的体积并节约原材料，降低了制造成本。

4.结论

    螺旋管束全逆程螺旋流管壳式换热器理论上在整个二维的平均协同系数与理想二维流场温度场协同最大值^[4]比较接近，其结构达到了最优化程度，是换热器比较理想的一种结构形式，壳程结构的优化结果是同强化管束的优化组合相联系而产生的。该项研究成果填补了国内空白，达到了国际先进水平，对提升我国（地源）热泵机组换热器的性能有很重要的现实意义和指导意义。但换热管束刚度低，其振动计算复杂，设计时应注意；管程、壳程压力损失小，换热器运行费用低；取消折流板、管板，减小了换热器的体积和节约原材料，降低了制造成本，是当前推崇的换热器产品。

 （责编：雅丽）

 
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