对4种不同结构的螺旋扭曲扁管换热器的管程和壳程传热与流阻性能进行了试验研究,并和采用圆管作为换热管的弓形折流板换热器进行了比较,根据试验数据回归出反映螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程传热与流阻特性的关联式。研究结果表明,螺旋扭曲扁管换热器管程与壳程都有较好的强化传热性能,螺旋扭曲扁管的几何尺寸和流体Re对其管、壳程传热与流阻性能有重要影响。
关键词:换热器;螺旋扭曲扁管;试验;强化传热
中图分类号:TQ051.501 文献标识码:A 文章编号:1005 9954(2007)02 0017 04
螺旋扭曲扁管换热器是一种新型高效管壳式换热器[1]。它是以传统管壳式换热器为基础,采用螺旋扭曲扁管为换热元件,其他结构均采用常规管壳式换热器的零部件,管束中不设折流板,换热管外缘保持螺旋线紧密接触,起到相互支撑作用并在换热管间形成螺旋形流道。流体在其管壳程运动时,受到离心力的作用而周期性地改变流动速度和方向,增强了流体的径向混合,破坏了传热边界层,强化了传热,同时也不易结垢。由于壳程没有折流板,其壳程阻力较小。换热管之间保持点接触而且壳程流体主要作纵向流动,能很好地克服诱导振动[2—3]。此外,它消除了传统管壳式换热器中存在的流动死区,传热面积的利用率大大提高[4]。
1 试验方案
制造4台具有不同规格换热管的螺旋扭曲扁管换热器(换热元件见图1)和1台弓形折流板换热器试验模型,几何尺寸见表1。采用水作为试验流体介质,试验流程见图2,换热管外壁面布置热电偶,从换热器壳体上开孔引出。管程液体为热水,壳程液体为冷水。温度由热电偶测量,压力降用倒U型压差计测量,流量由转子流量计测量。对系统进行热平衡试验,测得热平衡误差在±5%以内即可。试验时首先调节好流体的体积流量,当换热器的传热和流动达到稳定之后,记录所有数据,再改变换热器的工况,稳定后再记录数据,如此重复,直到所有工况试验完毕。由于螺旋扭曲扁管换热器的结构特殊,因而其管程和壳程流体Re的计算方法不同于常规换热器,具体如下:
2 管程传热与流阻性能
2.1 管程给热系数
试验中测得的5种换热器的管程给热系数αi与管程Re的关系见图3。可以看出,随着管内Re的增加,5种换热器的管程给热系数αi都在增加,增加速度逐渐减小,4种螺旋扭曲扁管换热器的管程给热系数都大于采用圆管的5#弓形折流板换热器;从1#、2#、3#螺旋扭曲扁管换热器的比较可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺距S越小,相同Re情况下,管程给热系数αi越大;比较1#和4#螺旋扭曲扁管换热器可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺旋扭曲扁管截面压扁程度越高,相同Re情况下,管程给热系数αi越大。
2.2 管程阻力损失
5种换热器管程阻力损失的比较见图4。从图中可知,随着管内Re的增加,4种螺旋扭曲扁管换热器和弓形折流板换热器的管程压力降Δp都在增加,而且增加的速度逐渐变大,4种螺旋扭曲扁管换热器的管程压力降Δp要大于采用圆管的5#弓形折流板换热器;比较图中1#、2#、3#螺旋扭曲扁管换热器可知,螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺距S越小,相同Re情况下,管程压力降Δp越大;比较1#和4#螺旋扭曲扁管换热器可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺旋扭曲扁管截面压扁程度越高,相同Re情况下,管程压力降Δp越大。
2.3 管程综合性能评价
为了说明螺旋扭曲扁管的强化传热效果,采用强化传热管综合性能评价因子[5—6]:
当η大于1时,表明在同样输送功率下螺旋扭曲扁管输出热量大于普通圆管。图5所示的螺旋扭曲扁管换热器管程综合性能评价因子η随Re的变化情况,可以看出,试验用4种螺旋扭曲扁管换热器的管程强化传热综合性能评价因子η均大于1,螺旋扭曲扁管压扁程度较大的4#换热器的η明显高出其他3种螺旋扭曲扁管换热器。说明螺旋扭曲扁管相对于普通圆管而言,管程具有明显的强化传热效果,螺旋扭曲扁管压扁程度越高,其管内强化传热综合性能越好,但同时也会引起管程压力降的急剧增大。
2.4 管程给热Nu与阻力系数准则关系式
根据试验数据回归得到螺旋扭曲扁管换热器管程给热Nu和阻力系数f的准则关系式为式(2)和式(3),回归相关系数分别为0.98028和0.96548,2式适用于Re在7900到26500之间。
3 壳程传热与阻力性能
3.1 壳程给热系数
试验测得各换热器壳程给热系数αo随壳程Re的变化情况如图6所示。可以看出,随着壳程Re的增加,5种换热器的壳程给热系数都在增加,可以明显看出相同Re条件下,5#弓形折流板换热器壳程给热系数大于4种螺旋扭曲扁管换热器。可见,在不考虑压力降的情况下,螺旋扭曲扁管换热器的壳程传热效果没有弓形折流板换热器好。
对比1#、2#、3#螺旋扭曲扁管换热器的壳程给热系数可以看出,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺距S越小,相同Re情况下,壳程给热系数αo越大;比较1#和4#螺旋扭曲扁管换热器可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺旋扭曲扁管截面压扁程度越高,相同Re情况下,壳程给热系数αo越大。
3.2 壳程阻力损失
图7是试验所涉及的换热器壳程压力降Δp随壳程流体Re变化的关系曲线图。可以看出,5种换热器的壳程压力降Δp都随着壳程流体Re的增加而增加,增加速度逐渐增大,相同Re条件下,弓形折流板换热器的壳程压力降要比螺旋扭曲扁管换热器大很多。这主要是因为螺旋扭曲扁管换热器壳程没有任何支撑结构,流体在壳程是顺流流动。在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺距S越小,相同Re情况下,壳程压力降Δp越大,这点可从1#、2#、3#螺旋扭曲扁管换热器的比较中看出。比较1#和4#螺旋扭曲扁管换热器可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,螺旋扭曲扁管截面压扁程度越高,相同Re情况下,壳程压力降Δp越大。
3.3 壳程综合性能评价
在评价换热器的壳程综合性能时,本文采用单位压力降下的壳程给热系数,即αo/Δp作为衡量指标。图8所示的是各螺旋扭曲扁管换热器和弓形折流板换热器的αo/Δp值随壳程流体Re变化的情况。可以看出,随着壳程流体Re的增大,5种换热器壳程的αo/Δp都不断减小,4种螺旋扭曲扁管换热器的αo/Δp值均比5#弓形折流板换热器的大很多,壳程Re越小,它们之间的差值越大。说明在相同的壳程压力损失条件下,螺旋扭曲扁管换热器较弓形折流板换热器具有大得多的壳程给热系数,有很好的壳程强化传热综合性能,尤其壳程流体Re较低时,螺旋扭曲扁管换热器相对于弓形折流板换热器的壳程强化传热综合性能优势越明显。
比较1#、2#、3#螺旋扭曲扁管换热器壳程αo/Δp可知,螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,并不是螺距S越小,相同Re情况下壳程的综合性能越好。因为在螺距S变小时,虽然壳程给热系数会增加,但同时也会引起壳程阻力损失的增加,所以合理选择S值,才能达到最好的壳程强化传热效果。同样比较1#和4#螺旋扭曲扁管换热器可知,在螺旋扭曲扁管其他结构参数相同时,并不是螺旋扭曲扁管截面压扁程度越高,螺旋扭曲扁管换热器的壳程综合性能越好。
3.4 壳程给热Nu数与压力损失准则关系式
根据试验数据回归得到的螺旋扭曲扁管换热器壳程给热Nu和壳程压力降Δp的准则关系式为式(4)和式(5),其回归相关系数分别为0.99397和0.99919,2式适用于壳程Re在3500到9000之间。
4 结论
(1)螺旋扭曲扁管换热器管程与壳程均有较好的强化传热性能,管程和壳程的强化传热综合性能均优于普通弓形折流板换热器。
(2)螺旋扭曲扁管的几何尺寸对换热器的管程和壳程传热与流阻性能都有影响,螺距S越小,压扁程度越高,管壳程的给热系数越大,同时流动阻力也越大,但此时换热器的综合性能不一定最好。
(3)流体的Re对螺旋扭曲扁管换热器的管程和壳程传热与流阻性能都有影响,随着流体Re的增加,管壳程给热系数和阻力损失都在增加,考虑换热器的整体综合性能,在流体Re较小时,螺旋扭曲扁管换热器工作状态最佳。
(4)利用试验数据,回归出了反映螺旋扭曲扁管换热器管程和壳程传热与流阻特性的准则关系式,可以用来指导螺旋扭曲扁管换热器的设计。
符号说明:
Ai 螺旋扭曲扁管内截面长轴长度,m
Ao 螺旋扭曲扁管外截面长轴长度,m
ai 螺旋扭曲扁管内截面长半轴长度,m
ao 螺旋扭曲扁管外截面长半轴长度,m
Bi 螺旋扭曲扁管内截面短轴长度,m
Bo 螺旋扭曲扁管外截面短轴长度,m
bi 螺旋扭曲扁管内截面短半轴长度,m
bo 螺旋扭曲扁管外截面短半轴长度,m
De 壳程当量直径,m
de 管程当量直径,m
dei 螺旋扭曲扁管内截面当量直径,m
deo 螺旋扭曲扁管外截面当量直径,m
f 摩擦系数
f0 参考的普通圆管摩擦系数
l 长度,m
Nu 努塞德数
Nu0 参考的普通圆管努塞德数
n 换热管数目
Pr 普朗特数
qi 管程流体体积流量,m3/s
qo 壳程流体体积流量,m3/s
R 壳体内半径,m
Re 雷诺数
S 螺旋扭曲扁管螺距,m
ui 管程流体流速,m/s
uo 壳程流体流速,m/s
αi 管程给热系数,W/(m2·K)
αo 壳程给热系数,W/(m2·K)
η 强化传热管综合性能评价因子
μ 粘度,Pa·s
ρ 密度,kg/m3
δ 厚度,m
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