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三分螺旋折流板换热器壳侧传热特性试验点击：2106 日期：[ 2014-04-26 21:14:07 ] |
| 三分螺旋折流板换热器壳侧传热特性试验 邓雅琼，陈亚平，董聪，操瑞兵，吴嘉峰 （东南大学能源与环境学院，南京210096） 摘要：对倾斜角为20°、24°、28°、32°单头和32°双头周向重叠三分螺旋折流板换热器和作为对照的弓形折流板换热器的水-水传热和压降性能进行了测试；得到了总体传热系数K、壳侧换热系数ho、壳侧压降Δpo等参数和ho/Δpo综合性能指标随壳侧流量的变化曲线。试验结果表明倾斜角20°方案的性能指标均好于其他方案，且其壳侧换热系数和单位压降的壳侧换热系数综合性能指标比弓形折流板换热器方案平均分别高出25%和100%以上。 关键词：螺旋折流板换热器；性能试验；三分螺旋折流板；倾斜角 中图分类号：TK17文献标志码：A 文章编号：1001-5523(2011)06-0048-04 螺旋折流板换热器具有消除壳程流动死区，降低壳程流动压力损失，有效抑制污垢形成，以及抑制管束的振动破坏等优良性能，受到国内外一些学者和换热器行业的关注[1～6]。已有的一些关于1/4螺旋折流板换热器的试验研究结果表明螺旋折流板换热器在降低壳侧流动阻力方面被公认为有突出的效果，但在是否能够提高换热系数的绝对值方面有不同的结果。一些文章把相邻折流板之间存在三角区泄漏看成是壳侧换热系数降低的原因。文献[7]提出用阻流板将三角区封死，但试验结果表明虽然其壳侧换热系数有所提高，但其阻力增加很多，得不偿失。文献[8]给出了防泄漏的周向重叠折流板结构，并通过试验表明有不错的效果。 由于1/4螺旋折流板换热器方案较适合于正方形排列布管的方案，而不太适合应用于绝大多数管壳式换热器所采用的高效而紧凑的正三角形排列布管方案，陈亚平提出了适合于正三角形排列布管的三分螺旋折流板方案[9～10]，本文针对倾斜角为20°~32°的周向重叠三分螺旋折流板换热器进行传热性能试验。 1·换热器性能试验台基本介绍 换热器性能试验是利用课题组与某企业合作建造的换热器性能试验台实施的。该性能试验台配备的测试仪表精度极高，试验状态控制方便准确，参数达稳快，热平衡偏差在-3%至+5%范围内。该试验台有风冷和水冷2种冷却源，有油、压缩空气、水和乙二醇水溶液4套热流体系统；可以对冷热流体之间的任意组合以及2种或3种热流体对风的复合式换热器进行传热和流动阻力性能试验。在本试验中两侧流体均为水，热水走管程，冷却水走壳程。本试验台有2种方法布置冷却水回路，其一是连接厂内的公用冷却塔，其二是用换热器通过风洞冷却。由于前者受厂内其它冷却负荷变化的影响，水温和流量都波动较大，故采用后一种方法。冷却水在试验件中被加热后再引入一个板翅式换热器内由风洞冷却后返回，通过变频器调节风机流量来控制进水温度。试验系统流程如图1。 试验件换热器的壳体是公用的，管束芯体可更换，管程和壳程都是单程，逆流布置。换热器壳体内径Φ126 mm，折流板外径Φ123 mm；传热管子Φ10×1×1 196(mm3)，正三角布管34根。图2～图5分别显示了试验台水系统、试验件换热器外形、试验件管束芯体的图片和螺旋折流板投影图。性能试验分别对倾斜角为20°、24°、28°和32°单头、32°双头三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器测量了传热及压降特性。三分螺旋折流板全部采用如图5所示的周向重叠对称扇形布置方案。 周向重叠三分螺旋折流板方案是一种使折流板的投影占据比换热器圆筒的1/3稍大的区域，使相邻折流板的两条直边在交界处有重叠，同时穿过一排管子的布管方案，有利于减小在相邻折流板交接处三角区的泄漏损失，同时也有利于增加换热器管束的刚性。 试验件参数的测量仪表，采用MicroMotion生产的F系列质量流量计(精度0.15%)测量热水和冷水的质量流量和容积流量值；采用上海某厂生产的A级铂电阻温度计测量温度(精度±0.1℃)；用R osemount生产的差压变送器测量流动阻力(精度0.075%)；温度和压力测点都布置在换热器试验件的进出口弯管上，试验数据通过34970A数据采集仪采集处理，操作程序采用LABVIEW软件编制。 2·试验结果处理分析 从试验测量获得的冷热流体主辅两侧换热量和对数平均温差可求得总体传热系数。管内水侧的换热系数hi可用Dittus-Boelter公式估算求得，水的物性都采用温度为自变量的多项式拟合，用进出口平均温度对应的数据。然后分离出壳侧的换热系数ho。由于是新换热器，可不计污垢热阻，只需扣除管壁热阻。 图6~图8分别显示了在热水流量约为2.15 kg/s(热水泵频率20Hz)，热水进口温度60℃±0.5℃、冷却水进口温度30℃±0.5℃的条件下，诸方案的总体传热系数K、壳侧换热系数ho、壳侧压降△po随壳侧冷却水流量Mo的变化关系。 以往一些文献所得出的在相同的壳体尺寸中螺旋折流板换热器方案的壳侧换热系数的实验结果通常都比弓形折流板方案的低，只是因其阻力压降低，所以单位压降的换热系数较低。因此有人认为需要采用缩小壳体直径，提高流速的手段方能实现壳侧换热系数的增大。但图6和图7显示的本次实验结果情况则表明，20°的螺旋折流板换热器方案的总体传热系数和壳侧换热系数的绝对值都是最高，约比弓形折流板换热器方案平均高出25%，这就为采用螺旋折流板换热器方案在保留换热器壳体的基础上进行更换管束芯体的技术革新提供了依据，因为对于企业的工艺流程来说，传热量能否达到要求是最重要的考核指标。 图8显示了弓形折流板换热器的阻力压降比螺旋折流板方案的高得多；而试验范围内倾斜角最大的32°的单头螺旋折流板方案的壳侧换热系数和阻力压降的绝对值都是最低的；但32°双头螺旋折流板方案的传热性能和阻力压降都高于32°和28°单头螺旋折流板方案的数值。 图9显示了以壳侧压降△po为自变量的壳侧换热系数ho的变化曲线。由图可见，20°的螺旋折流板换热器方案的数值高于其它方案，在试验范围内单头螺旋折流板方案的换热系数曲线随着折流板倾斜角的增大而下降；倾斜角32°双头螺旋折流板换热器方案的换热系数曲线比相同倾斜角的单头方案的高；弓形折流板换热器方案的曲线位置最低。 图10描述了换热器壳侧传热与流动的综合指标ho/△po随壳侧流量的变化，可见在试验范围内各单头螺旋折流板方案的换热系数曲线随着折流板倾斜角的增大而递降，但两条倾斜角32°单头和双头螺旋折流板换热器方案的壳侧换热系数曲线在很大范围内都基本重合；弓形折流板方案的曲线则明显位于各螺旋折流板方案的下方。结果表明20°的螺旋折流板换热器方案的综合指标平均值是弓形折流板方案的2倍以上。上述试验结果还表明周向重叠的三分螺旋折流板换热器的最佳倾斜角与文献[2]、文献[3]等提出的1/4螺旋折流板方案最佳角度为40°要小得多。因而对于周向重叠的三分螺旋折流板换热器没有必要去刻意追求制造加工难度较大的大角度螺旋折流板方案。 3·结论 (1)20°螺旋折流板方案是最佳方案，不仅其综合指标ho/△po的平均值与弓形折流板换热器方案相比平均提高一倍以上，而且其壳侧换热系数的绝对值也比弓形折流板换热器方案平均提高25%；但某些角度的螺旋折流板方案之壳侧换热系数的绝对值的确比弓形折流板换热器方案的低，因此需要合理设计。 (2)倾斜角相同的双头螺旋折流板方案的壳侧换热系数和压降比单头方案都有提高，但两者的综合指标ho/△po相差不多。 (3)周向重叠三分螺旋折流板换热器的最佳倾斜角在20°左右，小于一些文献对1/4螺旋折流板换热器的研究得出的最佳倾斜角40°左右的数值，这对于螺旋折流板的制作有利。 参考文献：略 |
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