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壳程螺旋扭片强化传热试验研究情况
江 楠,吴秋华,杨传健
(华南理工大学化工机械研究所,广东广州 510640)
摘 要:采用自行设计的试验装置和流程,对壳程插入不同节距及开孔的螺旋扭片管束和纯光管管束换热器进行了壳程传热及流阻对比试验,分析了螺旋扭片对壳程传热性能的影响。结果表明,螺旋扭片的节距和开孔对壳程传热性能均有较大影响,但对壳程阻力影响不大;试验范围内,当8000<Reo<17000时,L=140 mm,d=0的螺旋扭片管束换热器综合性能最好。
关键词:换热器;壳程;螺旋扭片;强化传热;试验研究
中图分类号:TQ051. 5 文献标识码:A 文章编号: 1001-4837(2010)04-0001-04
1 引言
换热器广泛应用于能源、化工、冶金及动力机械等行业,其中,管壳式换热器的应用约占70%[1]。在全球能源紧缺的情况下,换热器强化传热作为有效的节能措施逐渐成为研究的热点。管壳式换热器的强化传热分为管程和壳程两方面,其中壳程流动与传热逐渐成为换热器革新和完善的重点[2~4]。
笔者研究的换热器管间支撑结构为螺旋扭片,属于纵流式支撑结构,但与传统的盘—环折流板、折流杆支撑结构又有所区别。螺旋扭片作为管间插入物,放置在换热管之间,对管束起着密排隔离支撑作用,相互间无干扰,流体沿壳程轴向前进,不存在折转流动,减缓了壳程流体流动对管束产生的诱导振动。此外,螺旋扭片对管间流体产生旋流导向作用,旋流与靠近管壁波动前进的边界层形成非线性二次涡流,促进了流体混合和湍流度,破坏了管壁流体边界层,使管壁两侧温差增大,从而提高了传热推动力[5]。
2 试验装置及方案
2. 1 试验系统及过程
由于要对多组螺旋扭片分别进行试验,因此采用管板可拆的管壳式换热器[6]。图1为试验系统现场图。试验介质均为水,管程为冷水,壳程为热水,冷水和热水之间进行逆流换热。为了保证所测数据的及时和准确,试验采用计算机数据采集系统进行数据的采集和处理。计算机数据采集系统如图2所示,它由各传感器、模块(数据模块和通讯模块)、计算机等组成。
2. 2 换热器及螺旋扭片结构
试验使用的管壳式换热器为单管程、单壳程和螺旋扭片结构,筒体内径109 mm,换热管为Φ19 mm×2 mm的无缝光管,有效长度1. 4 m,数量12根,管束采取正方形排列。螺旋扭片安插在管间,对管束起支撑作用。根据试验方案需要,螺旋扭片结构及参数如图3,表1所示。
2. 3 试验方法
为了研究螺旋扭片的节距L及开孔d对壳程传热及阻力性能的影响,试验设计了12组螺旋扭片,加上光管(不加螺旋扭片)结构,一共13组。保持管程冷水流量为8 m3/h,冷水进口温度不变,壳程热水进口温度(60℃)不变,改变壳程流量。开始流量为4. 2m3/h,然后以0. 5m3/h的梯度递增,直到泵的最大流量(实际测试中该流量<15 m3/h)。每次壳程流量调节到预定数值后,都要等壳程进出口温度、管程出口温度稳定后才保存数据,然后再调节壳程流量,进入下一流量下的测量。
3 试验结果分析
3. 1 传热性能试验结果分析
图4示出未开孔时,不同节距的扭片管束及光管管束的壳程传热膜系数ho与雷诺数Reo关系。可以看出,插入螺旋扭片后,壳程的传热膜系数远大于未插入扭片的光管管束,且随着雷诺数的增加,壳程传热膜系数增大越明显。其中L=140 mm时效果最好,L=100 mm次之,L=18mm最差。可见,对于未开孔扭片管束,扭片节距对传热有影响,节距太大或太小,其传热效果欠佳,只有节距合适时,才能发挥最好的传热强化效果。
图5示出L=140 mm时,不同开孔的扭片管束及光管管束的壳程传热膜系数与雷诺数关系。可以看出,在扭片上开孔对传热性能有影响。试验范围内,扭片开孔后,其传热效果比未开孔时稍差。其中,d=5 mm的传热效果和d=6 mm的比较接近,但当Reo>16000时,d=6 mm扭片管束的壳程传热膜系数有超越d=5 mm的趋势。基本规律是:节距相同的扭片管束,在开孔情况下,开大孔比开小孔传热强化效果要好。
图6示出13组试验结构下壳程努塞尔数Nuo与Reo关系。可以看出,加入扭片后,壳程传热得到了强化,比起光管,其传热系数均得到较大的提高,随着雷诺数的增大,强化效果越明显;扭片节距不同,传热强化的程度也不同;对于开孔扭片管束,其传热效果是节距与开孔大小共同作用的;试验范围内,传热效果最好的是L=140 mm,=0的扭片管束,其壳程传热膜系数和努塞尔数是光管的2~3倍。
3. 2 阻力特性试验结果分析
图7示出无孔扭片管束及光管管束壳程压降Δp与流量Vo关系。可以看出,加入螺旋扭片后相对于光管,壳程压降有所增加,壳程流体流量越大,压降增加的幅度越大;对于未开孔的扭片管束来说,在流量比较小时,L=180 mm的压降略大随着流量的增大,逐渐有节距越小、压降越大的趋势,但总的来说, 3种不同节距的扭片管束之间的压降区别不大。
图8示出L=140 mm时,不同开孔的扭片管束及光管管束壳程压降与流量关系。可以看出,当扭片的节距一定时,开孔的大小对壳程压降的影响并不大。对于L=140 mm的扭片,在一定的流量范围内,d=6mm时的压降较大,d=4mm和d=5 mm次之,d=0的压降最小,但四者之间的差别也不大;总体来看,试验范围内,开孔扭片管束的压降比不开孔扭片管束的压降略高。
3. 3 综合性能评价
为了能更合理地评价不同试验结构下的换热器壳程传热效果,采用壳程单位压降下的传热系数来作为评价标准。图9示出13组试验结构下,壳程单位压降下的传热系数(ho/Δp)与雷诺数的关系。可以看出,当8000<Reo<17000时,L=140mm,d=0的扭片管束综合性能优势明显,比起光管管束,其壳程单位压降下的传热系数提高了约40%;L=100 mm,d=4, 5, 6 mm和L=180mm,d=4 mm的扭片管束综合性能最差,只有当Reo<9000时,他们比光管管束好;当Reo>9000时,其壳程单位压降下的传热系数小于光管管束。
4·结论
(1)螺旋扭片的节距和开孔对壳程传热性能均有较大影响。节距太大或太小,强化传热效果不佳,只有节距合适时,强化传热效果才最好;节距相同的扭片管束,在开孔情况下,开大孔比开小孔传热强化效果要好。
(2)螺旋扭片对壳程阻力有影响,壳程流体流量越大,螺旋扭片管束的压降较光管管束增加的幅度也越大。对于未开孔的扭片,螺旋扭片不同节距之间的压降差别不明显。对于开孔的扭片,开孔扭片管束的压降比不开孔扭片管束的压降略高。
(3)试验范围内,当8000<Reo<17000时,L=140 mm,d=0的扭片管束换热器综合性能最好,其壳程单位压降下的传热系数比光管管束高约40%。
参考文献:
[1] 马晓驰.国内外新型高效换热器[ J].化工进展,2001, 20(1): 49-51.
[2] 崔海亭,彭培英.强化传热新技术及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[3] 周兵,陈亚平,王伟晗.管壳式换热器壳侧强化传热与管束支撑方式的研究进展[J].节能, 2009, (3):17-20.
[4] 赵娜,宋天民,张国福,等.螺旋折流板管壳式换热器壳程传热强化研究[J].炼油技术与工程, 2007,37 (1): 38-40.
[5] 吴金星,魏新利,董其伍,等.纵向流管壳式换热器强化传热研究与发展[J].石油机械, 2002, 30 (4):49-52.
[6] 江楠,谢洪虎,钱颂文.一种可拆式实验用换热器[P].中国专利: 200720061566. 0.
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