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异形孔隔板换热器壳侧传热与阻力性能的试验研究点击：1890 日期：[ 2014-04-26 21:14:07 ] |
| 异形孔隔板换热器壳侧传热与阻力性能的试验研究 盛艳军 陈亚平 操瑞兵 董聪 吴嘉峰 (东南大学能源与环境学院，南京210096) (东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096) 摘要:对正方形孔、三角圆头孔、网状孔、六角梅花孔隔板换热器及弓形折流板换热器的传热性能和压降性能进行了测试试验．试验件采用公用管壳可拆卸芯体管束结构，针对其特点将壳侧轴向雷诺数作为自变量，利用单位壳侧轴向欧拉数的壳侧努谢尔特数指标来反映换热器的综合性能．试验结果表明，网状孔隔板换热器的壳侧换热系数与弓形折流板换热器相当，但该换热器的压降较低，在试验范围内综合性能指标的相对值为1.274;六角梅花孔、三角圆头孔和正方形孔隔板换热器的壳侧换热系数和综合性能均不及弓形折流板换热器．此外，不同的异形孔隔板换热器的传热性能与异形孔的形状或通流孔数目有关，流动阻力与通流孔的总面积和水力周长有关． 关键词:管壳式换热器;异形孔隔板;性能试验;换热系数;网状孔隔板 中图分类号:TK172文献标志码:A文章编号:1001－0505(2012)02-0318-05 异形孔隔板换热器是一种新型的纵流式换热器，与传统的弓形折流板换热器相比，主要区别是其采用外形为整圆的异形孔隔板代替了弓形折流板以支撑换热器管束，使横掠管束的流动变为平行于管束的纵向流动［1-2］，因此壳程压降较低，且无弓形折流板换热器缺口处2倍支撑距离的问题，抗震性能良好．当介质流过隔板管孔时，在管壁与孔板之间的间隙通道内对流体可产生射流作用，使流体离开孔口后很快形成湍流，不仅强化了壳程换热，还对管体产生冲刷和自清洁作用，从而缓解了管体结垢和腐蚀．这种换热器穿管安装工艺与弓形折流板管壳式换热器相同．此外，激光切割是一种加工成本较低廉的下料手段，完全适用于各种异形孔隔板的加工．因此，异形孔隔板换热器在电站、石油化工等工业领域有着广泛的应用前景［2-5］． 目前，国内外学者对异形孔隔板换热器的壳程流体流动、传热宏观性能以及壳程的流场和温度场特性进行了大量的试验和数值模拟研究［1，4-12］．然而，这些研究大都只针对某种特定的异形孔换热器，未见将几种异形孔换热器放在一起对其流动和传热性能进行对比研究的文献． 为了研究异形孔的几何形状对异形孔隔板换热器性能的影响，本文分别对正方形孔、三角圆头孔、网状孔和六角梅花孔隔板换热器以及弓形折流板换热器进行了试验研究，测量并对比了这些换热器的传热及压降特性． 1·试验件结构 各换热器隔板和外壳的结构参数分别见表1和表2．各异形孔隔板厚度为3 mm，采用激光切割加工而成．图1为各异形孔隔板和弓形折流板的结构布置图以及各异形孔的几何参数图．对于异形孔隔板而言，通流总面积包括管孔与管体之间的间隙以及壳体与隔板之间的间隙，此处没有考虑拉杆与拉杆孔之间的间隙;对于弓形折流板而言，通流总面积是指窗口有效面积加间隙面积． 2·换热器性能试验台系统 在异形孔换热器的性能试验中利用了本课题组为某企业设计的换热器性能试验台系统．图2显示了该试验台系统的流程图、换热器试验件外形与接管布置以及管束照片．换热器试验件的壳体是公用的，管束可更换，管程和壳程均采用单程，逆流布置，管程走热水，壳程走冷却水．冷却水在试验件中被加热后引入到板翅式换热器内，由风洞冷却并返回．通过变频器调节风洞中风机流量，以控制试验件冷却水的进水温度． 对于热水和冷水的质量流量和容积流量的测量均采用美国Micro Motion公司生产的F系列质量流量计，精度为±0.15%;流动阻力的测量采用美国Rosemount公司生产的差压变送器，精度为±0.075%;温度测量采用上海自动化仪表三厂生产的A级铂电阻温度计，精度为±0.15℃．温度和压力测点均布置在进出口弯管上;试验数据通过安捷伦公司生产的34970A数据采集仪来采集处理;操作程序采用LabVIEW软件编制;测量数据每15 s自动巡读一遍，将1 min内的平均数据记录在一个统一的文件内，另有一个文件专门记录试验达到热平衡时提取的传热计算数据．试验时试验件冷、热流体进口温度分别稳定在(60±0.5)℃和(23±0.8)℃，热水侧水泵保持相对恒定的流量2.2 m3/s，以维持管内热流体侧换热系数基本不变．冷侧流体的流量变化通过改变水泵的频率来实现．采集数据的热平衡偏差值小于±5%． 试验测试采集的数据主要是两侧流体的体积流量与质量流量、进出口温度以及压差Δp．由此可获得传热量Q以及对数平均温差Δtm．总体传热系数可表示为： 式中，A为换热面积．管内侧的换热系数hi和壳侧换热系数ho分别为： 式中，di和do分别为传热管的内径与外径;λi和λ分别为水和管体材料的导热系数;Rei和Pri分别为管内流体雷诺数和普朗特数．水的物性可依据图表数值拟合成以温度为自变量的公式计算得到．由于是新换热器，可不计污垢热阻，只需扣除管壁热阻． 考虑到所有试验是在同一壳体内完成的，且管体尺寸和数目相同，故采用壳侧轴向雷诺数Rez，o来体现壳侧流量的变化．Rez，o的计算公式如下: 式中，v为流体的运动黏度;wo为轴向速度，即壳侧流量通过换热器轴向面积的速度，可由下式求得: 式中，Vo为壳侧容积流量;Ds为壳体内径;dL为拉杆直径;N和n分别为管体数和拉杆数．反映壳侧传热和阻力性能的无因次准则数分别采用壳侧努谢尔特数Nuo和壳侧轴向欧拉数Euz，o表示，其计算公式如下: 式中，ρo为壳侧流体的密度;Δpo为壳侧压降，其值需要从测量值Δp中扣除进出口处的局部阻力损失，此时进出口总的局部阻力系数取为1.5． 3·试验结果与分析 图3给出了4种异形孔隔板换热器与弓形折流板换热器的总体传热系数、壳侧努谢尔特数和壳侧压降与壳侧轴向雷诺数的关系．由图可知，不同方案的性能有着较大的区别．网状孔隔板换热器的传热系数和壳侧努谢尔特数与弓形折流板换热器相当，但后者的流动阻力较大．这是因为后者的壳侧介质呈“之”字形流动，流向改变频繁，同时还会在折流板根部产生死区和回流，从而导致较大压力损失．在试验范围内，梅花孔和三角圆头孔隔板换热器的传热系数和壳侧努谢尔特数相当，仅低于网状孔隔板换热器和弓形折流板换热器;正方形孔隔板换热器的传热系数最低，但其压降较低，特别是在雷诺数较大时远低于其他方案，原因在于其通流总面积在上述方案中最大． 图4为壳侧换热系数随壳侧压降变化的曲线．由图可见，网状孔隔板换热器的性能最好，弓形折流板换热器的性能其次;六角梅花孔、三角圆头孔和正方形孔隔板换热器的性能均不如弓形折流板换热器． 图5(a)描述了各方案的换热器壳侧传热与流动的综合指标Nuo/Euz，o随壳侧轴向雷诺数的变化;图5(b)为异形孔方案相对于弓形折流板方案的综合指标比值的变化曲线．由图可见，网状孔隔板换热器的综合换热性能最好，在试验范围内，其相对综合指标的平均值为1.274;六角梅花孔、三角圆头孔和正方形孔隔板换热器的综合换热性能均不及弓形折流板换热器．其中蕴含的内在规律还有待进一步深入研究． 4·结论 1)在所研究的4种异形孔隔板换热器中，只有网状孔隔板换热器的壳侧换热系数与弓形折流板换热器方案相当，但其壳侧压降低于后者，单位壳侧轴向欧拉数的壳侧努谢尔特数综合指标的平均值是弓形折流板换热器的1.274倍;其他3种异形孔隔板换热器的壳侧换热系数和综合性能均不及弓形折流板换热器． 2)异形孔隔板换热器的壳侧换热系数和壳程压降与隔板异形孔的形状、流通面积等因素有关，其内在关系和规律有待继续深入研究． 参考文献：略 |
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