扭曲椭圆管换热器传热与压降性能的研究
扭曲椭圆管换热器传热与压降性能的研究
高阳 （辽河油田公司锦州采油厂 辽宁 锦州 121209）
摘 要： 同传统的换热器相比， 新型扭曲椭圆管换热器具有较
高的传热效率， 较低的压降性能， 较好的抗污垢等优点。它将会
在石油化工领域中发挥重要的作用。本文对扭曲椭圆管的换热
器所具有的特征进行了简要介绍， 在此基础上对扭曲椭圆管的压
降性能同管内外传热间的关系进行了分析研究。
关键词： 扭曲椭圆管换热器； 压降性能； 传热
扭曲椭圆管换热器是由圆管轧制成的具有一定导程的扭曲
椭圆管作为换热元件， 具有折流板换热器传热系数高以及折流杆
换热器压降低的特点。目前对于换热器传热以及其压降性能方
面的研究较多， 本文通过运用数值计算等测试方法最终得到了扭
曲椭圆管在管内传热同压降性能间的准则计算关系式， 为扭曲椭
圆管换热器的设计和研发提供了依据。
一、 扭曲椭圆管换热器具有的特征
新型扭曲椭圆管换热器在目前所有工业中体现出了很多优
势， 其中主要包括良好的传热性以及压降低等特征。而扭曲椭圆
管在该类换热器中可以通过采取普通光滑和圆管冷轧的方式进
行加工而成， 换热管的横截面成椭圆形， 且具有相同的周长。在
扭曲椭圆管的换热器中管程的截面形状呈椭圆形， 并且具备螺旋
形的流道， 该形式的流道能够促使换热器产生很强的旋转动力进
行扰动。换热器具有的壳程依靠临近的管长轴来支撑管道， 这样
便能节省折流挡板的使用， 进而达到在换热器的内部使各元件排
列紧密的效果， 降低了换热器具有的重量， 同时还能改善换热管
产生的振动情况。由于在换热器进行正常运行时壳程流体会受
到离心力的作用发生周期性的更改流动方向和流动速度现象， 这
种运作方式有效增强了流体在纵向的混合程度， 进而使传热效果
有所加强。以往传统式的管壳换热器是运用光滑的圆管来作传
热器件的， 在这种类型的换热管中没有二次流动的现象， 较光滑
圆管来说， 扭曲椭圆管所具有的流体是呈螺旋状的流体， 增强了
流体本身在管内进行横向混合的程度， 具有较高的传热性能 [1-2] 。
综上可知， 扭曲椭圆管换热器具有以下主要特征： 第一， 该换
热器的壳程部分运用的是多点自支撑构造。在进行传热工作时
由于具有自支撑结构， 壳程会体现出网格化和一体化特征， 在这
一特征作用下换热器会进行周期性的对管壁做有规律的冲击活
动， 加强了内部流体在纵向方面的混合程度， 提高了壳程具有的
换热成效。第二， 该换热器具有纵向的流体壳程。此结构成功改
善了由于壳程流动方向经常发生改变而引起的压降现象， 有效防
范了在折流板和壳体的连接处出现结垢以及流动死区现象， 加强
了换热器的换热面积。第三， 扭曲椭圆管的管束芯体具有构造紧
凑和没有支撑板的优点。这样的结构有效提高了壳程具有的抗
腐蚀性， 解决了腐蚀现象对换热管产生消耗等问题。第四， 换热
器所具有的壳程截面会随着换热管横截面的变化而发生几何变
化， 可以通过改变横截面的形状来对壳程的流速进行必要的调
节， 同时， 还能使换热器具有非对称换热的功能。
二、 扭曲椭圆管传热与压降间的关系研究
许多学者分别对扭曲椭圆管在管内传热以及压降的性能之
间做过相关的报道和研究， 他们从换热器的角度展开对扭曲椭圆
管所具有的两者间的数值关系进行分析。国内外学者从扭曲椭
圆管管内换热效果的分析中得到的比较有代表性的传热与压降
计算准则关系式， 如下所示：
（1）Nu=0.0182Re 0.8 （Tw/Tf）
- 0.05 exp{1.95(Tw/Tf- 1) 2 }
（Dzyubenko）
（2） Nu=0.039 Re 0.544 (S/d) -0.159 (S/de) 0.161 Pr 0.33 （思勤）
（3） Nu=0.034 Re 0.784 (B/A) -0.590 (S/de) -0.165 Pr 0.333 （高学
农）
（4） Nu=0.821 Re 0.374 (1-B/A) 0.909 (S/de)- 0.263 Pr 0.6605 （孟
继安）
以数值的计算结果作为基础拟合而得出换热器的管内传热
同压降性能之间的通用计算关系式分析结论如下： 首先， 热换器
扭曲椭圆管内具有的传热机理有效表明在管的内部是存在二次
流的， 扭曲椭圆管的换热器管内只有在换热管具有的长轴和短轴
的比值达到适当的程度时， 二次流才能够形成具有规律性的螺旋
流， 否则便会形成与换热管长轴具有的方向相互垂直的上下扰动
流。二次流的大小取决于长轴与短轴的比值， 比值增大， 二次流
增大， 比值减小， 二次流则相应减小。其次， 同光滑的椭圆管相
比， 二次流的形成使换热管的横截面具有的速度和温度有所改
变， 同时， 横截面所具有的摩擦系数和部分努赛尔数也发生了变
化。在换热管的横截面同一位置对扭曲椭圆管和具有同样横截
面的光滑椭圆管进行对比Nu可知： 扭曲椭圆管具有的Nu在很多
情况下不一定比光滑椭圆管的Nu高， 但是， 它所具有的平均值要
比光滑的椭圆管大很多。最后， 扭曲椭圆管会沿着换热管所具有
的轴向方向做连续扭曲动作， 使得在换热管的内部出现二次流现
象， 同光滑椭圆管相比， 二次流会改变换热管在横截面上所具有
的速度分布和温度分布， 它会使速度场和温度梯度场两者间的夹
角度数有所降低， 进而能够加强传热现象 [3] 。
结束语
综上所述， 扭曲椭圆管的换热器体现了其良好的换热特征，
但目前国内外关于换热器的研究相对来说较少， 更多的是对扭曲
椭圆管换热器管程实验测试以及数值计算方面的探讨研究， 虽然
通过拟合得到了换热管管内的传热与压降计算准则关系式， 发现
了换热管管内存在的螺旋流， 可是对于扭曲椭圆管换热器所具有
的其他领域的研究还有待继续深入分析。
参考文献：
[1]朱冬生,谭祥辉， 张立振， 曾力丁， 成取林. 扭曲椭圆管换热
器技术进展及其应用[J].化学工程， 2012,10.
[2]谭祥辉.扭曲椭圆管换热器传热与压降性能的研究[D].华
东理工大学， 2013
[3]朱冬生， 谭祥辉， 曾力丁. 扭曲椭圆管管内传热与压降性能
的研究[J].化学工程， 2013,01.
作者简介:高阳 （1984-） 男， 汉族， 陕西商洛人， 2009年毕业
于西安石油大学电气工程及其自动化专业， 助理工程师， 现主要
从事油田热注生产工作。
