折流杆换热器的研究方法进展

徐烨琨 ，刘成 ，李永辉

（1天津大学绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072；2天津大学石油化工技术开发中心，天津 300072）

换热器是化工、石油、医药、食品等行业的常见设备[1]。在各种形式的换热器中，管壳式换热器因具有操作弹性好、适应性强、可靠性高等优点而得到十分广泛的应用[2-3]。传统的管壳式换热器一般使用折流挡板进行壳程传热的强化以及管束的支撑，壳程流体流动由横向流动主导，产生的卡门漩涡能引起管束的诱导振动，使得部分使用折流板强化的管壳式换热器具有振动强烈的缺点，一定程度上限制了它在工业上的使用[4]。美国菲利普斯石油公司于 20世纪 70年代成功开发出折流杆换热器[5-6]，有效解决了管束振动的问题。

折流杆换热器使用折流栅代替折流挡板进行管束的支撑以及传热的强化。每一组折流栅都由相互平行的折流杆组成，折流杆为钢条，布置于换热管束之间，对换热管形成夹持作用，同时也对壳程流体产生扰动作用。同一折流栅内的折流杆相互平行，相邻折流栅间的折流杆相互垂直，4个折流栅可以构成一组支撑结构，从而对每根换热管都能从4个方向形成完善的支撑。折流杆换热器壳程流动由平行于换热管轴向的纵向流动主导，减小了流体对管束的冲击，大大削弱了由流体横向流动产生的卡门漩涡，从源头减轻了管束的振动。同时，流体不需来回折流，压降大大降低；死区面积大大减小，传热均匀性和抗结垢性能也得以提升。然而，折流杆换热器一般使用正方形布管方式，紧凑性不高，同时还存在流动扰动不足、低雷诺数时传热系数不高的缺点，因此，研究者们对折流杆换热器展开了深入的研究，合理设计、改进其结构，拓宽了折流杆换热器的使用范围。

1 实验研究

在折流杆换热器问世后，菲利普斯石油公司的Gentry等通过实验的方法，得到了用于折流杆换热器结构设计的经验公式，包括压降与努赛尔数的预测关联式[7-10]，随后国内的董其伍[11]、钱颂文[12]等也使用各自的方法得到相关公式。他们的工作极大地促进了折流杆换热器的推广使用。目前，关于折流杆换热器的实验研究多在其结构改进方面，重点在于对换热管形式以及折流杆形式的改进，以强化其传热过程，克服折流杆换热器壳程传热系数相对较低的缺点。

在换热管形式方面，Wang等[13]对比了螺纹管与光管折流杆换热器，除换热管形式外，其余结构参数均相同。换热器共37根换热管，折流栅间距为75mm，壳程流体为 50℃的原油，运动黏度为1.744×10−7m2/s，雷诺数为（2.0～4.8）×103，结果显示，螺纹管折流杆换热器的传热系数为 300～700W/(m2·K)，比光管折流杆换热器高 38%左右，而二者压降十分接近。由此可见，使用螺纹管强化折流杆换热器能显著增大换热器的传热系数，且不会增加换热器的压降，能获得很好的综合效果。

在折流杆形式方面，严良文等[14-15]开发了波形折流杆换热器，并与折流板式换热器对比。使用波形杆代替直杆，实现了对三角形排布的管束的支撑，克服其紧凑性不高的缺点。换热器共57根换热管，壳程流体为水，管程流体为工业乙酸。结果显示，当固定管程流体雷诺数为28100时，随着壳程雷诺数从1.5×104增大到5.5×104，换热器的总传热系数从 1000W/(m2·K)增大至 1300 W/(m2·K)，且传热系数比对应的折流板式换热器还高。孔松涛等[16]对菱形杆折流杆换热器进行了实验研究，结果显示菱形杆相对于圆形杆，能使换热器的传热系数增大约20%。

通过实验方法能准确测定换热器的性能，对不同结构的折流杆换热器的性能进行对比。但是，实验研究的成本较高，实验对象一般为小型的折流杆换热器，其结果对工业规模的大型折流杆换热器的适用性还有待考察，这是目前关于折流杆换热器的实验研究的有待完善之处。

2 模拟研究

计算机技术的飞速发展促进了研究者们使用计算机模拟的方法对换热器进行研究。对换热器进行计算流体动力学模拟，不仅可以获得它们的传热系数、压降等数据，为其设计提供数据支持，还可以获得它们内部详细的流场及温度场信息，为其结构的改进提供理论支持，相比于实验研究方法，一次有效的计算流体动力学模拟能使研究者以更低的成本获得更丰富的信息[17]。

折流杆换热器的关键结构折流杆位于换热器的壳程，因此对壳程的流体流动与传热的模拟是研究者的研究重点。即便仅对折流杆换热器的壳程进行数值模拟，仍对计算设备的硬件有十分高的要求。为克服这一难点，研究者们提出了使用多孔介质模型、周期性单元流道模型、周期性全截面模型以及“分段模拟，整体综合”的方法展开了折流杆换热器的计算流体动力学模拟。

2.1 多孔介质模型

多孔介质模型将模拟对象中的流体、固体划入同一控制体，用体积多孔度、表面渗透度、分布阻力与分布热源等变量来表示固体构件的存在对流体流动与传热过程的影响。其计算量远小于一般的数值模拟过程，且能获得较为准确的整体信息，如压降、平均传热系数等。

严良文等[18]以Phoenics软件为平台，使用多孔介质模型对折流杆换热器壳程进行了详细的模拟研究。其模拟的换热器包含60根换热管，32组折流栅，壳体内径257mm，管束长度6000mm。网格数为88641。模拟所用湍流模型为标准k-ε模型，数学算法为SIMPLE算法，对5种不同工况进行了模拟，同时进行实验对照，结果显示模拟结果与实验结果吻合良好，壳程总压降的偏差小于 5%，努赛尔数的偏差小于 8%。由此可见，多孔介质模型在传热系数、压降等整体信息方面的准确度较高。模拟结果指出进口段的压力梯度相较其他区域更大，中间区域流体流速更高，传热系数明显高于边壁区域[19-20]。对不同结构参数的折流杆换热器进行了一系列模拟，考察了折流杆排布方式、折流圈间距等结构参数对换热器的传热性能以及压降的影响，结果表明杆间距为 100mm、折流栅截面流通率为0.3677的折流杆换热器的综合性能最佳[21]。对模拟结果进行关联，得到了相应的传热准数关联式与流动阻力关联式，其具体形式可参考文献[22]。

使用多孔介质模型进行折流杆换热器的模拟能获得准确的压降与传热系数等整体信息，但是由于它对模拟对象的物理结构进行了大量简化，因此难以获得设备内部详细的流场与温度场等细节信息。

2.2 周期性单元流道模型

在折流杆换热器中，换热管一般为正方形排布，横向与纵向的折流杆沿管束轴向交替出现，在换热器内部形成大量的重复性结构；此外，折流杆换热器壳程中流动由纵向流动主导，在流动的充分发展区域，流型也呈现周期性的分布，因此王定标等[23]提出了使用周期性单元流道模型的方法来考察折流杆换热器，避免对换热器内部重复的结构、重复的流动进行重复的模拟，避开折流杆换热器的数值模拟对计算设备的高要求。

单元流道是由4根1/4换热管所包含的壳程区域，其间包含两根相互垂直的折流杆，如图 1所示[24]。模型采用周期性边界条件作为进口、出口边界条件，以实现对充分发展区段的流动的模拟。由于将模拟对象缩小至图1所示的单元流道内，网格数得以大大降低，极大地减少了计算成本，同时还能使研究者更加细致地考察不同形式的折流杆以及折流杆排布方式对流体流动与传热的影响。

图1 单元流道模型示意图[23]

Dong等[25]将周期性单元流道模型的模拟结果与菲利普石油公司、郑州大学分别提供的经验公式进行了对比，结果显示模拟结果的传热系数偏差在10%以内，压降偏差在15%以内，因此周期性单元流道模型的模拟满足工程计算的要求。Wu[24，26]、董其伍[27]等使用周期性单元流道模型考察了一系列不同折流杆间距的折流杆换热器在不同流量下的性能，结果指出，随着雷诺数从2×103增大到3×104，传热系数从 30W/(m2·K)增大至 90W/(m2·K)。可见，为了获得高传热系数，折流杆换热器不适于在小流量下操作；此外，他们的研究结果还表明折流杆轴向间距越小，越适宜在低流量下操作。

使用周期性单元流道模型对折流杆换热器进行模拟研究，可以细致地研究折流杆对流体流型的影响，着重考察不同折流杆形式对换热器性能的影响，对比它们的性能，优化折流杆的形式。表1为各种不同形式的折流杆的性能对比，由于恒径直圆杆为最通用的折流杆形式，因此表中各种形式的折流杆的性能参数数据均以相对于同条件下恒径直圆杆数据的倍数的形式表示。表 1中，除文献[34]未给出传热介质外，其余文献的传热介质均为水；除文献[32]未提到热边界条件外，其余文献的热边界条件均为恒壁温边界条件；所有文献均不考虑重力的影响；文献[29]与[32]的湍流模型为RNGk-ε模型，数学算法为 SIMPLEC算法；文献[28]、[31]、[33]与文献[34]的湍流模型为标准k-ε模型，数学算法为SIMPLE算法。

表1 不同折流杆的性能参数相对于恒径直圆杆的对比

从表1中可以看到，在绝大多数情况下，通过改变折流杆形式来增大壳程传热系数，总是以增大壳程的压降为代价的。表中的折流杆可以分为两类：一类是以方杆、三角形杆等为代表，其流道的传热系数与压降均高于恒径直圆杆的，以方杆表现最为强烈；另一类折流杆则表现相反，其流道的传热系数与压降均低于恒径直圆杆的，其中以变截面杆表现最强烈。由于折流杆换热器具有扰动不够强烈、传热系数相对较低的缺点，同时又具有压降较低的优点，所以对折流杆换热器的强化应着眼于传热系数的提高，而不是压降的降低。因此前一类折流杆具有更广阔的应用前景。而后一类折流杆以降低传热系数为代价来追求压降的进一步降低，是得不偿失的，这种形式的折流杆强化的换热器可考虑用于要求压降极低的传热过程。

周期性单元流道模型对计算设备要求低，简单易行；但其模型过于简化，因此误差相对较大，可用于不同形式的折流杆性能的对比。周期性单元流道模型无法考察折流圈、进出口等结构对流动与传热的影响。此外，根据对称性将单元流道模型展开可以发现，图1中的模型只适用于双向支撑布杆方式的折流杆换热器（即每隔一根换热管布置一根折流杆），不适用于单向支撑布杆方式的换热器（即每隔两根换热管布置一根折流杆）。然而，在工业上单向支撑布杆方式的折流杆换热器使用更广泛，对其模拟研究更具工业指导意义，这是周期性单元流道模型有待完善之处。

2.3 周期性全截面模型

周期性全截面模型取流动已充分发展的中间重复段中的一段进行模拟。进口、出口边界条件与周期性单元流道模型相同，为周期性边界条件。周期性全截面模型能将换热器中布管区以外的折流圈、拉杆等附属结构均考虑在内，提供比周期性单元流道模型更丰富、更准确的信息。

Dong等[25]对一包含49根换热管的壳体为方形的卧式折流杆换热器分别进行了实验研究与周期性全截面模型的模拟计算，实验采用多普勒激光测速仪对流动充分发展段的流体速度进行测定，模拟所用湍流模型为标准k-ε模型。结果表明，在轴向的速度分量方面，周期性全截面模型的模拟结果与实验测得结果吻合较好，偏差在10%以内；由于没有考虑重力的影响，横向的速度分量的偏差相对较大，高达80%，然而横向速度分量约比轴向速度分量小两个量级，因此其影响较小，由此证明了周期性全截面模型是可行的。同时实验与模拟结果均表明在流动充分发展段，流动以轴向流动为主，相邻流道间的传热介质的交换很少。

Wang等[35]使用周期性全截面模型对一个小型折流杆换热器进行了考察，同时与相同尺寸的折流板换热器、H形折流片换热器进行了对比。模拟得到的速度分布图清晰地揭示了折流杆换热器在流动均匀性方面的巨大优势，死区面积大大减小，其中的折流杆换热器的截面速度分布图如图2所示；在压降方面，当折流板板间距与折流杆的轴向杆间距相同时，相同流量下，折流板换热器的压降比折流杆换热器高出10倍左右，但是平均传热系数仅能高出 2～3倍。古新等[36]使用周期性全截面模型对直径为200～600mm的折流杆换热器近壳壁区的流体流动与传热状况进行了考察，结果发现近壳壁区的换热管的传热系数明显大于壳体中心区域换热管的传热系数，由此说明折流圈的存在使扰动更加强烈。

周期性全截面模型的模拟适用于换热器的流动充分发展的部分，对进口段与出口段则完全不适用，不能考察流体进、出换热器时的流动状态，无法考察流体进入换热器后是否能顺利传递进换热器的中心区域，而这一点对大直径的折流杆换热器尤为重要。此外，周期性全截面模型的计算量仍然是较大的。

2.4 “分段模拟，整体综合”思想

图2 折流杆换热器的周期性全截面模型的模拟结果所得速度分布图[35]

郭崇志等[37]提出“分段模拟，整体综合”的思想，对一包含19根换热管、管长1.5m的折流杆换热器壳程进行了模拟，将整个换热器分为进口段、中间重复段以及出口段等部分，进行分段模拟，考察了包括进口、出口、导流筒等在内所有部件的影响，整个入口部分的结构如图3所示。模拟所用湍流模型为RNGk-ε模型，换热介质为水。模拟结果表明，在低雷诺数操作条件下，导流筒对换热器整体影响较小，而在高雷诺数条件下则影响较大，对提高换热器的性能有利；同时，进口、出口段的压降也远高于单组折流杆所产生的压降。同时，郭崇志等还详细对比了正方形布管方式与三角形布管方式的性能差异[38]，结果显示在流速较低时，三角形布管方式的传热系数略高于正方形布管方式的，而在流速较高时，二者相差并不明显；同时，在压降方面，始终有三角形布管方式低于正方形布管方式。对正三角形布管方式的折流杆换热器的研究具有十分重大的意义，不仅可用来设计新的折流杆换热器，还可用于对已投入使用的折流板换热器的改造。

“分段模拟，整体综合”的模拟方法相较于其他模拟方法能获得最全面的信息，由于考察了进出口结构的影响，因此可用于考察大直径折流杆换热器的径向流动与传热均匀性问题。但是，“分段模拟，整体综合”模拟方法的计算成本也是各种方法中最高的。

3 结 语

图3 入口部分结构示意图[37]

美国菲利普斯石油公司成功开发出折流杆换热器后，通过一系列实验获得了折流杆换热器设计的经验公式。目前，关于折流杆换热器的研究多集中于换热器的结构改进方面，包括实验方法与计算机模拟的方法，由于成本问题，模拟研究逐渐占据主导地位。模拟研究方面，多孔介质模型、周期性单元流道模型、周期性全截面模型、“分段模拟，整体综合”等模拟方法相继被用于折流杆换热器的模拟。由于各方法、模型本身的特点，它们各有利弊，同时又互相补充。实验法和模拟法中的多孔介质模型，可用于获得折流杆换热器的整体性能参数，如平均传热系数、压降等；周期性单元流道模型可用于考察折流杆形式以及折流杆轴向间距对换热器性能的影响；周期性全截面模型还可以考察折流圈等结构的影响；“分段模拟，整体综合”的方法更能研究进口段与出口段流动的形态。对于待定的问题，应采用相应的方法或模型。另一方面，若结合不同的方法或模型进行折流杆换热器的研究，则能获得更加完整、充足的信息，同时将研究成本控制在可接受范围内。此外，目前研究的折流杆换热器都不大，大直径折流杆换热器的研究工作还有待研究者们展开。

[1]Sivarajan C，Rajasekaran B，Krishnamohan N.Comparision of numerical heat transfer in convertional and helically baffled heat exchanger[J].International Journal of Engineering Research and Applications，2012，2（2）：1278-1282.

[2]Wang Qiuwang，Chen Qiuyang，Chen Guidong，et al.Numerical investigation on combined multiple shell-pass shell-and-tube heat exchanger with continuous helical baffles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2005，52（5-6）：1214-1222.

[3]Zhang Zhengguo，Xu Tao，Fang Xiaoming.Experimental study on heat transfer enhancement of a helically baffled heat exchanger combined with three-dimensional finned tubes[J].Applied Thermal Engineering，2004，24（14-15）：2293-2300.

[4]童鲁海.管壳式换热器的振动特性分析及模态试验[J].机电工程，2009，26（7）：46-48.

[5]Eilers J E，Small W M.Tube vibration in a thermosiphon reboiler[J].CEP，1973，69（7）：57-61.

[6]Small W M，Young R K.Exchanger design cuts tube vibration failures[J].The Oil and Gas Journal，1977，75（37）：77-80.

[7]Gentry C C，Young R K，Small W M.RODbaffle heat exchanger-Thermal-hydraulic predictive methods[C]//Proc.23rd Natl.Heat Transfer Conf.，Munich，1982：197-202.

[8]Gentry C C，Young R K，Small W M.RODbaffle heat exchanger thermal-hydraulic predictive methods for bare and low-finned tubes[C]//Proc.22nd Natl.Heat Transfer Conf.Niagara，1984：104-109.

[9]Gentry C C，Small W M.RODbaffle exchanger-Thermal-hydraulic predictive models over expanded baffle-spacing and Reynolds number ranges[C]//Proc.23rd Natl.Heat Transfer Conf.，Denver，1985：103-108.

[10]Gentry C C.RODbaffle heat exchanger technology[J].CEP，1990，86（7）：48-57.

[11]董其伍，刘敏珊.纵流壳程换热器[M].北京：化学工业出版社，2006：33-84.

[12]马小明，钱颂文，朱冬生，等.管壳式换热器[M].北京：中国石化出版社，2010：105-114.

[13]Wang X S，Wang R Z，Wu J Y.Experimental investigation of a new-style double-tube heat exchanger for heating crude oil using solar hot water[J].Applied Thermal Engineering，2005，25（11-12）：1753-1763.

[14]Yan L W，Wu J X，Wang Z W.Industrially experimental investigations and development of the curve-ROD baffle heat exchanger[J].Journal of Shanghai University：English Edition，2004，8（3）：337-341.

[15]严良文，王志文.波形折流杆换热器的工业实验研究[J].华东理工大学学报，2004，30（8）：478-480.

[16]孔松涛，董其伍，刘敏珊.菱形折流杆换热器传热研究[J].石油机械，2007，35（1）：683-686.

[17]Zhang Jianfei，He Yaling，Tao Wenquan.3D numerical simulation on shell and tube heat exchangers with middle-overlapped helical baffles and continuous baffles——Part Ⅰ：Numerical model and results of whole heat exchanger with middle-overlapped helical baffles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（23-24）：5371-5380.

[18]严良文，潘雷，阚树林.折流杆换热器的壳程结构参数对协同场的影响[J].压力容器，2006，25（11）：14，19-23.

[19]严良文，王志文.折流杆换热器壳程流场与温度场的数值模拟及场协同分析[J].石油化工设备，2006，35（5）：12-15.

[20]严良文，潘雷，阚树林.折流杆换热器的数值模拟及相关结构参数选择[J].化工机械，2009，36（2）：123-127.

[21]Yan L W，Pan L，Kan S L.3D numerical simulation and structural optimization of the rod baffle heat exchanger[J].Journal of Shanghai University：English Edition，2009，13（2）：164-365.

[22]严良文，潘雷，阚树林.折流杆换热器数值模拟及性能分析[J].石油化工设备，2009，38（3）：39-42.

[23]王定标，胡祥报，郭茶秀，等.大型纵流壳程换热器三维流动与传热数值模拟[J].郑州大学学报：工学版，2002，23（3）：13-18.

[24]吴金星，董其伍，刘敏珊，等.折流杆换热器壳程湍流与传热数值模拟[J].高校化学工程学报，2006，20（2）：213-216.

[25]Dong Q W，Wang Y Q，Liu M S.Numerical and experimental investigation of shellside characteristics for RODbaffle heat exchanger[J].Applied Thermal Engineering，2008，28（7）：651-660.

[26]Wu J X，Dong Q W，Liu M S，et al.3D simulation on the unit duct in the shell side of the ROD baffle heat exchanger[J].Journal of Shanghai University：English Edition，2006，10（4）：362-365.

[27]董其伍，刘敏珊，赵晓东.杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热数值模拟[J].化工学报，2006，57（5）：1073-1078.

[28]马雷，王英双，杨杰，等.变截面折流杆换热器的流动与传热分析[J].工程热物理学报，2012，33（1）：113-116.

[29]王英双，刘志春，黄素逸，等.新型折流杆换热器的流动与传热数值模拟[J].化工进展，2010，29（7）：1205-1208.

[30]马雷，王英双，杨杰，等.折流杆换热器的数值模拟及优化设计[J].工程热物理学报，2011，32（3）：462-464.

[31]王英双，马雷，韦杰，等.折流杆换热器中折流杆形状对流动和传热特性的影响[J].水电能源科学，2010，28（11）：128-130.

[32]Liu W，Liu Z C，Wang Y S，et al.Flow mechanism and heat transfer enhancement in longitudinal-flow tube bundle of shell-and-tube heat exchanger[J].Science in China Series E：Technological Sciences，2009，52（10）：2952-2959.

[33]Gu X，Dong X L，Liu M S，et al.Numerical research on heat transfer and flow resistance performance of specially-shaped rod baffle heat exchangers[J].Heat Transfer：Asian Research，2012，41（1）：1-9.

[34]李静，刘敏珊，董其伍.纵流壳程换热器新型抗震折流元件的数值研究[J].热能动力工程，2005，20（6）：579-583.

[35]Wang Y Q，Gu X，Wang K，et al.Numerical investigation of shell-side characteristics of H-shape baffle heat exchanger[J].Procedia Engineering，2011，18：53-58.

[36]古新，董其伍，王珂.纵流壳程换热器壳程近壁区流场和温度场数值研究[J].工程热物理学报，2009，30（4）：683-686.

[37]郭崇志，梁泉水.折流杆换热器数值模拟新方法[J].化工进展，2007，26（8）：1198-1220，1206.

[38]郭崇志，胡崇举.布管方式对折流杆换热器壳程性能的影响[J].炼油技术与工程，2013，43（1）：51-54.