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换热器壳程结构的实验研究及节能分析点击：1828 日期：[ 2014-04-26 21:13:49 ] |
| 换热器壳程结构的实验研究及节能分析 邹静 曾力丁 于洋 郑伟业 朱冬生 （华东理工大学上海200237） 【摘要】为对管壳式换热器不同壳程结构进行实验研究，设计建造了普通单弓形折流板圆管换热器和无折流板的椭圆扭曲管换热器实验台。通过测试换热器管壳两侧的传热系数、压降和换热量等参数，对比分析了两种不同壳程结构的换热器在相同尺寸下、相同工况的传热性能。实验结果表明椭圆扭曲管管侧的表面传热系数比普通圆管和折流板换热器均有大幅度提高，随雷诺数的增大，管内表面传热系数约为普通圆管的1.27～1.43倍，管外壳程表面传热系数约为普通圆管的1.36～1.76倍，能够有效提高换热效率。另外与传统的单弓形折流板换热器相比，壳程压降显著减小，约为折流板换热器的30～35%。椭圆扭曲管换热器既强化了管内传热，又减小了壳程压降，是一种非常有效的提高换热效率的手段。综合比较管壳侧的传热效率，发现在低雷诺数工况椭圆扭曲管换热器的节能效果更好。 【关键词】椭圆扭曲管；强化传热；节能；高效 中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：1671-6612（2011）05-466-05 0·引言 低碳经济促进了现代新工艺、新技术、新材料的不断发展，开发和应用高效、节能设备具有重要的现实意义。在现代石油、化学工业中，换热器的投资要占全部投资的30%～40%[1,2]，传统的换热器壳程折流板压降大、容易结垢，效率低；新型自支撑无折流板的椭圆扭曲管换热器壳程流动过程中没有死角，不易结垢[3-5]；另外，椭圆扭曲管管内的流体随着管子的形状旋转流动，扰动较大，在较低流速下容易达到湍流[6]，因此传热效果较好。目前，很多学者以数值模拟为基础研究了扭曲管换热器的管内外传热与压降特性，得到的结果对定性的分析扭曲管换热器强化传热的机理具有一定的指导意义[7]，然而有关管壳式换热器不同壳程结构的实验研究尚未见报道。本文设计建造了普通单弓形折流板圆管换热器和无折流板的椭圆扭曲管换热器实验台，分别对尺寸相同的扭曲管换热器以及加单弓形折流板的管壳式换热器进行了实验测试，通过测试不同工况下两种换热器的性能，对比了这两种换热器的传热性能和压降性能，同时以强化传热效率指数η[8]为基础，对两种换热器的综合性能进行了比较分析。 1·实验装置介绍 1.1实验装置及原理 本实验装置为扭曲管换热器实验平台，如图1所示。 扭曲管换热器实验平台中经蒸汽加热的热水通过泵进入换热器管程，被壳程中的冷水冷却，实验系统主要由热水循环系统，冷水循环系统以及换热器测试系统组成，实验过程中测试的参数主要有管程流体进出口温度、壳程流体进出口温度、管程流体压降、壳程流体压降以及管程和壳程流体流量。扭曲管单管及换热器的结构参数如表1。 实验过程中先测试扭曲管单管[9]，测出流量，进出口温度，以及壁温。采用以下热平衡方程计算，得到管内传热膜系数hi。 在测试扭曲管换热器传热性能时，由测试得到的管、壳程流体进出口温度以及流量计算得到换热器总传热系数，再由热阻分配法计算换热器壳程传热膜系数。压降是由压力传感器直接测得。实验过程中，两种换热器管、壳程进口流量及温度相同。 1.2实验系统误差分析 在扭曲管实验台中所用到的温度测量仪器主要有2种，分别是：温度传感器，Pt100铂热电阻；与实验要求的相对湿度较大，所以我们选用了绝对压力传感器用来测量实验时的管内外压力；所有流量均使用上海光华爱而美特仪器有限公司电磁流量计，量程：0～2.4m3·h-1。相关测试设备及精度如表2。 2·实验结果及分析 实验结果的分析包括管壳程流体的传热以及压降性能，同时文章还分别分析了换热器管、壳程流体的综合性能。传热性能的比较以Nu为基础、压降性能的比较以f为基础，综合性能的比较是以广泛应用的综合性能评价因子η为基础的。在实验测试时，采用相同的进口温度，相同的质量流量，在比较的时候管程用雷诺数作为变量，由于壳程当量直径不同，本实验采用质量流量作为变量。 2.1换热器管程性能的比较 扭曲管换热器以及单弓形折流板换热器管程传热性能的比较如图2，3，4所示。 图2可看出，扭曲管换热器管内传热膜系数相对单弓形折流板换热器明显提高，并且随着Re的增加，扭曲管换热器管程传热性能相对于单弓形折流板换热器传热性能而言，提高的相对百分比逐渐减小。强化传热效果逐渐不明显，这是由于在低雷诺数情况下，在圆管还是层流状态时，扭曲管已经能够达到充分紊流，因而强化作用明显。随雷诺数逐渐增大，圆管也能够达到紊流时，扭曲管内虽然还是紊流状态，但促使达到紊流的优势已经不明显，因而强化传热作用减弱。此结果与张杏祥，桑芝富[1]以数值模拟为基础得到的结果相似。 由于扭曲管的管内的不规则形状，在低雷诺数情况下，流动阻力较大；随着管内流量的增加，管内流体雷诺数也增加，扭曲管管内阻力系数逐渐减小，但是跟圆管的阻力系数比起来还是较大，约为普通圆管的2倍。扭曲管的特殊结构虽然能够提高管内的传热膜系数，但是阻力也较大，所以在设计换热器时需要综合考虑。 随着管内流量的增加，管内流体雷诺数也增加，虽然扭曲管内的传热膜系数依然是增加的（见图2），但其综合传热性能却明显逐渐减弱（见图4），在小流量下，管内强化传热效率指数高于折流板换热器的，但随着流量增加，传热效率指数逐渐减小。这是由于在小流量下，圆管内流体的流态尚未达到充分紊流，传热相当程度上还依靠流体的扩散传递作用；而在椭圆扭曲管中，由于受流道扭曲作用，流体在扭曲管中作整体旋转运动，使扰动大大增加，管表面传热系数明显提高。而在高流量下，圆管内的流动早已呈紊流状态，传热主要依靠的是紊流传递而不是扩散传递，此时若再附加上整体旋转作用（扭曲管中），虽然仍能提高换热效果，但对总的传热影响不是很大，故强化作用明显下降。 2.2换热器壳程性能的比较 扭曲管换热器以及单弓形折流板换热器管程传热性能的比较如图5，6，7所示。 由图5可以看出管外努赛尔数均随着壳程流量和雷诺数增加而增大，其中折流板换热器的管外努塞尔数比扭曲管换热器增加的快。这是因为单弓形折流板使壳程流体形成错流，很大程度的增加了流体扰动，减少流动死角，利于高效换热，而扭曲管换热器管外虽然也能增加扰动，但仅限于管子外的一部分流体，没有形成整体大幅度的错流，因而强化作用不如折流板换热器，雷诺数增大，曲线变化较平缓。 虽然折流板换热器管外传热膜系数很大，但折流板引起的压降却很大，管外阻力系数比扭曲管换热器大很多，如图6所示。实验发现，随流量和雷诺数变化，扭曲管换热器的壳侧压降约为折流板压降的40%～48%不等，阻力系数降到折流板换热器的39%～43%，很大程度上节约了能耗。 综合分析一下壳侧的传热情况，小流量低雷诺数情况下椭圆扭曲管能更有效的强化传热，随雷诺数增大，综合性能逐渐降低，最后几乎不受雷诺数的影响了，该结果与黄德斌，邓先和[10]等人的数值模拟结果相吻合。折流板换热器的强化传热作用随流量和雷诺数增大也是逐渐减小，但是它的变化曲线较平缓，在小流量低雷诺数情况下换热效果不如扭曲管换热器。 3·结论 本实验系统的分析比较了椭圆扭曲管换热器和传统的单弓形折流板换热器管内外传热和压降情况，得出以下结论： （1）椭圆扭曲管能有效强化传热，单侧传热系数约为光管的1.28～1.76倍，随着雷诺数的增大，强化作用逐渐降低。 （2）扭曲管在强化传热的同时壳侧压降明显低于折流板换热器，约为折流板压降的40%～48%。 （3）在小流量低雷诺数情况下，扭曲管的强化传热效果优于折流板，随雷诺数增大强化作用逐渐减弱，最终趋于平稳。 参考文献： [1]张杏祥,桑芝富.扭曲扁管管内流动与传热的三维数值研究[J].南京工业大学学报,2005,27(5):71-75. [2]史美中,王中铮.热交换器原理与设[M].南京:东南大学出版社,1998. [3]思勤,夏青,梁龙虎.螺旋扁管换热器传热与阻力性能[J].化工学报,1995,46(5):601-607. [4]Siva R K,Govardhan P,P Sivashanmugam.Heat transferand pressure drop studies in a circular tube fitted withstraight[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2009,33(3):431-438. [5]B VDzyubenko,L V Ashmantas,M D Segal.Modelingand Design of Twisted Tube Heat Exchangers[M].NewYork:Begell House Publishers,2000. [6]梁龙虎.螺旋扁管换热器的性能及工业应用研究[J].炼油设计,200l,3l(8):28-33. [7]孟继安,李志信,过增元,等.螺旋扭曲椭圆管层流换热与流阻特性模拟分析[J].工程热物理学报,2002,23(6):117-120. [8]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. [9]杨蕾,朱冬生,曾力丁,等.扭曲管传热性能数值模拟与实验研究[J].化学工程,2010,38(1):26-29. [10]黄德斌,邓先和,王扬君,等.螺旋椭圆扁管强化传热研究[J].石油化工设备,2003,32(3):1-4. |
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