异形仿生换热器壳侧对流换热的高效低阻特性研究

刘辰玥，郑通，刘渊博，温荣福，陈凯，马学虎

（1 辽宁省化工资源清洁利用重点实验室，大连理工大学化学工程研究所，辽宁大连 116024；2 武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430205）

引言

海洋船舶工业技术升级是我国实现“海洋强国梦”和建设“21 世纪海上丝绸之路”的重要保证。随着海洋船舶工业从无到有、跨越发展到如今的探索超越这三大阶段，能量动力系统升级是其更新换代的主要驱动力。据了解，我国现有船舶的功率密度比美国和俄罗斯等国低20%以上。因此，研制高效的动力换热系统，提高海洋船舶工业的经济性、环保性等核心性能是各国追求的共同目标。除此之外，对于石油钻井平台等领域的发展也具有重要意义。

近年来，国内外学者提出了管壳式换热器综合性能的提升策略，开发出了螺旋折流板[1-10]、分区挡板[11-15]、类梯形折流板[16-20]等，探究了壳程折流板形式与设计参数对于换热器综合性能的影响。其中，螺旋折流板可以避免弓形折流板换热器内部形成的锯齿状流动，近似理想螺旋流形态体现了场协同性，其单位压降传热系数约为弓形折流板的1.3～1.5 倍[21]；花挡板结构同样可以在壳程产生近似螺旋流，减少壳侧内部流动的停滞区[22]。在相同条件下，花状折流板换热器的综合效率比弓形折流板换热器高20%～30%[13]。上述研究对象均为传统的圆柱体型管壳式换热器，占地空间较大，换热系统的集成性较低，对于空间有限的海洋船舶和海上平台等并不适用。同时，为了进一步降低换热系统的能源消耗，相关学者研究了采用自流循环系统为换热器提供冷却水，即利用船体航行时与海水相对运动产生的压力差来抽吸海水，使海水以一种“自流”的形式流过换热器壳程[23]。……