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当量螺旋角对三分螺旋折流板换热器性能的影响

点击:1991 日期:[ 2014-04-26 21:14:19 ]
                  当量螺旋角对三分螺旋折流板换热器性能的影响                      刘化瑾,陈亚平,李彦晴,王伟晗,黄 锴                   (东南大学能源与环境学院,江苏南京 210096)     摘要:提出了非连续螺旋折流板换热器的当量螺旋角定义,并建议以组合数ho/Δp1/3o来反映换热器的综合性能。对可拆卸芯体管束折流板的倾斜角为10°扇形、15°扇形、15°椭圆、20°扇形、20°扇形搭接的三分螺旋折流板换热器和弓形折流板换热器进行了传热和压降性能测试实验。实验结果表明:其中当量螺旋角最大的20°倾斜角扇形折流板方案的壳侧换热系数最高且压降较低,其综合性能指标ho/Δp1/3o比弓形折流板换热器的数值高26%左右; 20°倾斜角扇形搭接方案与当量螺旋角相仿的15°倾斜角扇形方案的性能大致相当; 15°扇形方案比当量螺旋角较小的15°椭圆方案的性能更高。可见对换热器的性能起决定作用的是当量螺旋角而不是倾斜角;实验预示在当量螺旋角更大的范围存在最佳值。     关键词:螺旋折流板换热器;三分螺旋折流板;当量螺旋角;倾斜角;性能实验     中图分类号:TK 124   文献标识码:A   文章编号:1005-9954(2010)07-0022-04     由于1/4螺旋折流板换热器可形成壳程的螺旋柱塞流动通道,消除流动死区,在强化传热的同时,降低壳程阻力损失,并有效抑制污垢的形成,因而逐步受到国内外强化传热领域专家和换热器行业的重视[1-10]。陈亚平[11-12]在此基础上又提出了一种新型三分螺旋折流板换热器结构,该方案不仅零件数目减少,而且更适合用于正三角形布管排列场合,因而具有良好的市场前景。     1 当量螺旋角     国内外有许多文章讨论了螺旋角大小对螺旋折流板换热器传热性能和压力损失的影响,但这种影响究竟是增是减还是有最佳值存在,可以说众说纷纭[1-2, 6-7, 9]。主流的观点认为以单位压降的壳侧换热系数确定的最佳螺旋角值约为40°。     螺旋角虽然在很多文献中都有涉及,但大多将螺旋角等同于倾斜角。由于螺旋角原本是根据连续螺旋体而定义的,从描述流体的螺旋流动总趋势的角度,定义非连续螺旋折流板换热器的当量螺旋角α为在相同螺距下连续螺旋折流板外径处的倾斜角度,即                       式中:α为当量螺旋角,Hs为螺旋折流板的螺距,D为螺旋折流板的外径。     与螺旋角为α的连续螺旋折流板的螺距相比,倾斜角β等于α的非连续螺旋折流板方案在相邻折流板外径连续相接的条件下其螺距较小;或者说,非连续螺旋折流板的当量螺旋角α小于其倾斜角β。     倾斜平面与圆柱相切可得到椭圆,因而在圆筒壳体内倾斜布置的折流板形状必然是椭圆的一部分。无论是1/4螺旋折流板还是三分螺旋折流板都有2种裁剪方案,一条直边平行或重合于椭圆半长轴的为椭圆折流板,而以椭圆的短轴为对称线的称为扇形折流板。扇形折流板方案因对称而对角线较长的缘故,在同样的倾斜角下,其螺距和当量螺旋角都较椭圆折流板方案的大。     式(1)也可用于计算相邻折流板轴向搭接后的当量螺旋角。采用搭接方案后,由于螺距减小,其当量螺旋角也就将变小。     2 实验方案     换热器性能试验是利用课题组与企业合作建造的板翅式换热器性能实验台实施的。实验时以质量分数20%乙二醇水溶液为加热流体,走管程;导热油为冷却流体,走壳程。导热油系统的电加热器停用,油在实验件中被加热后再引入一个板翅式换热器由风洞冷却,通过变频器调节风机流量来控制进油温度。实验系统流程如图1所示。     为了研究当量螺旋角对螺旋折流板换热器性能的影响,分别对倾斜角为20°扇形、20°扇形搭接、15°扇形、15°椭圆和10°扇形的三分螺旋折流板换热器以及弓形折流板换热器进行了试验研究,测量了上述换热器的传热及压降特性。试验件换热器的壳体是公用的,芯子可更换,如图2所示,管程和壳程都是单程,逆流布置。换热器尺寸为壳体内径126 mm,管子10 mm×1 mm×1 196 mm,折流板外径123mm;传热管子根数:弓形49,其他48。其他几何参数见表1。                                   实验现场布置图片如图3所示。实验台采用美国高准公司的质量流量计测量导热油和乙二醇水溶液的流量,可同时提供质量流量和容积流量值。温度和压力测点都布置在进出口弯管上,用铂电阻温度计测量温度,用差压变送器测量流动阻力,实验数据通过安捷伦公司生产的34970A数据采集仪采集处理,并以美国NI公司的LABVIEW软件平台编制操作程序,测量数据每10 s巡读一遍。实验件通过波纹管与系统管路接口相连接。                         3 实验结果与分析     由于实验测量项目并不包括换热器的壁温,所以只能从获得的冷热流体主辅两侧换热量Q1和Q2的平均值和对数平均温差Δtm求得总体传热系数K。                        然后需要从实验结果中分离出两侧的换热系数。管内水侧的换热系数hi可用Dittus-Boelter公式估算求得,由于其数值远高于壳程油侧的值,所以由此求得的壳侧的换热系数ho值精度比较高,可以满足工程应用。                       式中:A为传热面积;λ为导热系数;d为管径。下标w为水的物性, ,i o分别为管子内侧和外侧。乙二醇水溶液的物性依据图线拟合成公式。由于是新换热器,可不计污垢热阻,只需扣除管壁热阻。壳侧压差Δpo等于记录的油侧压差减去进出口接管段的局部阻力损失。                      由于不同折流板方案壳侧的通流截面积不同,不宜采用Re作自变量来比较,考虑到所有试验是在同一壳体内完成的,故采用油流量qo作自变量较为合理。在所有实验条件下,管内热水侧(质量分数20%乙二醇水溶液)的阀门开度不变,质量流量约为1.05 kg/s。图4—6分别显示了在乙二醇水溶液进口温度70℃、导热油进口温度40℃的条件下,诸方案的总体传热系数K、壳侧换热系数ho和壳侧压降Δpo随油流量的变化关系。图7和图8是分别依据ho/Δpo和ho/Δp1/3o这2个指标在上述条件下绘制的变化曲线。可见由于后者考虑了换热器传热性能与阻力损失的代价同步增长的因素,其曲线基本不随流量变化而变,因而可将刻度放大,更清楚地反映出各种方案之间的区别。因而用ho/Δp1/3o作为综合评价指标更为合理。                       可见,在实验范围内倾斜角20°的扇形折流板方案的性能最好,它不仅阻力较低,而且无论是壳侧换热系数值还是综合性能指标值都比较高,其综合性能指标ho/Δp1/3o比弓形折流板换热器的数值平均高26%左右;相同倾斜角的20°扇形折流板搭接后比不搭接方案无论是换热系数值还是综合性能指标值都有所降低,由此证实了轴向搭接方案并不合理;20°倾斜角扇形搭接方案与当量螺旋角相仿的15°倾斜角扇形方案的性能大致相当;相同倾斜角的15°扇形方案比15°椭圆方案的性能更高,由于后者的螺距较小,需要布置更多的折流板;而10°扇形折流板方案的换热系数较低且压降较高,其综合性能指标值在某些条件下甚至不如弓形折流板方案。实验结果表明在一定范围内螺旋折流板换热器的倾斜角增大时换热系数随之增大,阻力降低,ho/Δp1/3o指标增大。由于目前尚未对更大倾斜角的三分螺旋折流板换热器性能进行试验,最佳当量螺旋角尚待进一步的试验来确定。总之,试验结果表明对换热器的性能起决定作用是当量螺旋角而不是倾斜角。     4 结论     (1)螺旋折流板换热器壳程换热系数及壳程压降的大小与折流板所形成的通道的倾斜程度有直接关系。当量螺旋角可作为描述非连续螺旋折流板内流体总体运动状态的指标,而且它与连续螺旋折流板换热器的螺旋角定义可无缝接轨。当量螺旋角与折流板的倾斜角虽然相关,但属于不同的概念。     (2)在一定范围内,相对螺距较大即当量螺旋角较大的方案,其换热性能较好,阻力较小。在相同的倾斜角下,扇形螺旋折流板的当量螺旋角较椭圆螺旋折流板的大,前者的性能明显优于后者;而通过搭接减小螺距的方案,因其当量螺旋角减小,其换热性能亦变差,表明螺旋折流板的轴向搭接方案是不经济的。试验结果表明对换热器的性能起决定作用是当量螺旋角而不是倾斜角。试验预示了倾斜角20°以上的螺旋折流板换热器可能具有更高的性能,寻求最佳角度的试验还有待今后补充。     参考文献:略
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