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盘状螺旋管换热器的实验研究点击：2201 日期：[ 2014-04-26 21:39:33 ] |
| 盘状螺旋管换热器的实验研究 江斌 陈则韶 (中国科学技术大学,合肥230027) 摘要:介绍了一种适用于小流量大温升的新型盘状螺旋管换热器,具有结构简单、质轻,体积小的特点;利用相关的实验研究,获得其换热性能和流动阻力特性。实验结果表明,其在小流量下仍具有较高的传热系数,适合于做热泵热水器的水冷换热器。 关键词:逆流式换热器;螺旋管;热泵热水器 1·前言 家庭、宾馆、饭店需要大量45~55℃的热水,利用热泵原理来制热水是一种节能的好方法[1, 2]。为获取所要求温度的热水,必须设计一水冷冷凝器。由于换热过程中水的温升较大(如冬季自来水温度仅约5~7℃,则温升要求可能达到40~50℃),而现有的壳管式、套管式、板翅式,板式和螺旋板式换热器等设计的进出口水温差仅4~7℃。若换热功率相同情况下要提高水的温升,势必使水对被冷却流体的流量比大大减小,水流速降低,换热效率大大降低,从而使得现有换热器换热能力不能得到充分发挥。 本文提出的盘状螺旋管逆流式换热器,可以满足这种特殊要求,并已获发明专利[3]。 2·换热器强化思路 水流量的降低,导致水侧对流换热强度大大降低,成为热传递过程中的主要热阻。要想得到较高的换热效率,必须在结构上和冷热流体流动方式上采用一些强化传热的手段和技术。强化传热的方法有许多[4],对于无相变的对流换热,凡是能减薄边界层,促使流体各部分混合,特别是近壁流体的混合均能起到强化传热的效果。 圆管内充分发展湍流对流换热系数计算公式为： 由式(1)可以看出,在换热介质确定的情况下,其热物性值在对应温度下也是确定的,提高流速和采用小管径对强化对流换热十分显著。与此同时,扩展表面不仅可以加大换热面积,也可起到增大表面传热系数的作用;螺旋管内的流体在向前运动过程中会连续地改变方向,在横截面上引起二次环流,可在较低的雷诺数下产生湍流,起到强化作用。盘状螺旋管逆流式换热器正是基于以上强化传热技术而设计的,当然这些措施在强化传热的同时也不可避免地引起流动阻力的增加,加大流体输送所需的功率。 3·盘状螺旋管逆流式换热器结构 盘状螺旋管逆流式换热器如图1所示。主要包括换热管2,换热器壳体1,壳盖5,冷流体的进口6、出口7,热流体的进口8、出口9;壳盖用螺丝紧固件拧紧在换热器壳体上,壳盖与换热器壳体间夹有密封垫。换热管是外侧带肋的多内通道扁管;将带外肋的多内通道扁管卷制成盘状螺旋管封装在换热器壳体和壳盖构成的腔体内,螺旋管盘的上、下端面被壳盖和换热器壳体的底面紧紧夹住,盘状螺旋管的管内为一种流体通道,管外和换热器壳体以及壳盖围成了另一种流体的通道盘状螺旋管的两端焊接有进口管接头和出口管接头,并穿出壳体。一流体从最外圈端头的进口短接管8进入后,不断旋转,由中心处的短接管出口9流出;另一流体从中心区的进口短接管6进入壳体腔内后,经螺旋管外的螺旋通道,从内圈螺旋流至外圈,由出口短接管7流出;管内外流体呈逆向流动,在双旋流中进行充分的热交换,热流体被冷却,冷流体被加热。若用作空调机的水冷冷凝器,制冷剂蒸气在螺旋扁管内螺旋流动并逐渐冷凝为液体,冷水在管间流道内流动吸热而温度升高。 多内通道扁管,采用铝合金材料。其具有密度小(铝及铝合金的密度接近2 700kg/m3,约为铁或铜的1/3)、强度高、导电导热性好、耐蚀性好和易加工的突出优点,构成的换热器质量轻,成本低。与铜相比,虽然其导热系数仅为铜的1/2左右,但壁厚仅0. 5~0. 8mm,管壁热阻与其它传热环节相比要小得多,其影响可以忽略。 外肋既增加了水侧的换热面积,同时在卷制成盘状螺旋管的过程中能很好地保证螺旋的间距即管外通道的大小。外侧带肋可以是单外侧带肋或是双外侧相间隔带肋的方式;内肋有强化传热和提高扁管承压能力、不易变形的作用。内外肋与扁管融为一体,无接触热阻。 采用了上述结构,其优点和强化传热的作用可以从以下6方面体现: ①由于扁管的耐压性和自密封,保证了卷成盘管的密封性,允许管内外流体有较大的压力差而不会串漏,应用时较高压力、易泄漏的流体一般在扁管内流动(例如用作空调器的水冷换热器时,制冷剂就在扁管内流动); ②螺旋盘管可以使管外流体和管内流体作逆向双旋流流动,螺旋管内和管外的流体在不停旋转中大大强化了流体与管壁的对流换热,使换热器的传热系数得到较大提高; ③盘状螺旋管在较小圆盘直径的条件下取得很长的流道,结构紧凑,从而能在小流量比大温升的换热器设计中保持较好流速,取得较高传热效率; ④盘状螺旋管采用扁管卷成的盘状螺旋管结构,使得管内制冷剂的流层变薄,传热系数进一步加大; ⑤若螺旋扁管内壁、外壁,或内外壁采用细螺纹槽结构,换热能力还将进一步增加。 4·盘状螺旋管逆流式换热器性能实验 换热管扁管截面结构如图2所示。扁管选择6孔结构,厚11mm,宽35mm,扁管内流道间距4.4 mm,内肋与外壁厚度0. 8mm,外肋厚度为1.5mm,平面段外肋高3mm,圆弧段外肋高1. 5mm。盘状螺旋管内圈直径100mm,外圈直径380mm,相邻圈的扁管平均中心间距约为8mm,扁管长度10. 5m,管外侧换热面积约1. 1m2。 当量直径的计算公式为de=4Ac/p(2)式中:de为槽道的当量直径,m;Ac为槽道的流动截面积,m2;P为润湿周长,m。此扁管构成的换热器内侧流道当量直径为3. 836mm;外侧流道当量直径为3. 568mm。相同流道截面积的圆管直径分别为10. 54mm和10. 70mm,根据式(1)可知,管内充分发展湍流对流换热系数将提高22%和26%,显然带外肋的多通道扁管结构对强化传热的作用相当显著。 换热器传热系数测量装置如图3所示。冷热流体均采用水,热流体由恒温水浴提供,而冷流体采用自来水,在试验的一段时间内可以认为是恒定的。温度采用铜-康铜热电偶作为温度传感器、用HP 34970A型数据采集仪采集;流量由LZB型玻璃转子流量计测量,并由阀门调节其流量。通过测量热流体的进出口温度t1’、t1”、流量q1和冷流体的进出口温度t2’、t2”、流量q2,利用传热方程式(式(3))及热流量计算方程式(式(5))即可求得换热器在各种流量下的传热系数k。 实验时热流体在扁管内流动,冷流体在扁管间流动,主要流量所对应的流体流速和雷诺数见表1。由表1可知,流体在管内外的流速和雷诺数均较低,处于层流或过渡区。 实验所得的基于外侧换热面积的传热系数计算结果如图4示,从实验结果中可以看出此换热器具有较高的传热系数。 换热器好坏,不仅表现在传热性能上,同时表现在阻力特性上,因此应对换热器进行阻力特性实验,测量流体在换热器中的流动损失,以便为选择泵提供重要依据。图5为水在扁管外侧流动阻力的测试结果。相比而言,阻力损失也有所提高。 5·结论 本文所介绍的螺旋管逆流式换热器,可以保证在高效传热和结构紧凑前提下使水流能获得大温升。该换热器不仅可用在热泵热水器和空调器制热水装置的水冷换热器上,也可用作其它换热器用(例如可作为汽-水换热器)。 盘状螺旋管逆流式换热器的管内通道和管间通道的流体介质可以变换,管内通道和管间通道的进、出流向在保证逆流前提下也可以互调,其应用前景极为广阔。 参考文献 [1]陈则韶,江斌,胡芃,等.一种四季节能的空调器制热水的新技术[J].制冷学报, 2004, 25(4): 54-59. [2]陈则韶.一种四季节能冷暖空调热水三用机[P].中国, ZL02220342. 7, 2003-07-02. [3]陈则韶,江斌.带肋盘状螺旋扁管双旋流逆流式换热器[P].中国, 200510038207. 9, 2008-07-09. [4]杨世铭.传热学[M].第三版.北京:高等教育出版社, 2002: 344-346. |
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