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内插自振弹簧换热管传热性能试验研究点击：1754 日期：[ 2014-04-26 21:53:26 ] |
| 内插自振弹簧换热管传热性能试验研究 徐建民，熊雯，皮威，夏寅波 （武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430073） 摘要：对6种不同几何参数的内插自振弹簧换热管和光管的传热及阻力特性进行了试验研究，结果表明，内插自振弹簧换热管的存在增加了对流体流动的扰动，破坏了管内侧的层流层，起到了扰流作用，提高了换热管的换热能力。内插自振弹簧换热管强化传热综合性能Nu/ξ1/3是光管的1.03～3.21倍，强化传热综合性能优于光管。 关键词：换热器；内插自振弹簧换热管；传热；试验研究 中图分类号：TQ 051.501;TE 965文献标志码：A 文章编号：1000￣7466（2010）03￣0009￣04 换热器是工艺过程中必不可少的单元设备之一，在诸多工程领域中有着广泛应用［1］。近年来，随着能源的日益短缺，各国都十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发，换热器的强化传热研究也成为该领域研究的重点［1～9］。强化传热是实现换热器高效换热的主要途径，无源强化技术不需要附加设备和动力，工作可靠，是目前应用最多的强化对流传热方法。内插自振弹簧管是利用换热管内插入自振弹簧使流体产生径向流动，从而加强流体混合、促进管内流体速度和温度分布的均匀，并获得管壁与流体间较高对流传热系数的。内插自振弹簧换热管的传热和阻力特性除了与雷诺数有关外，还与自振弹簧的丝径、外径及节距等因数有关。以前的学者多是给出内置螺旋弹簧换热管的定性研究［7］，定量研究较少。文中对6种不同尺寸的自振弹簧管和光管的传热及阻力特性进行了试验研究，具体分析了自振弹簧管传热及阻力特性与弹簧尺寸的关系，并利用线性回归的方法给出了自振弹簧的换热与阻力准则公式，以期为自振弹簧管换热器的工程设计提供理论依据。 1·试验装置及条件 1.1自振弹簧及其连接 共采用6种不同尺寸的内插自振弹簧换热管和规格覫25 mm×0.8 mm的光管进行对比试验，自振弹簧尺寸见表1。试验用换热管长度均为1 800 mm,壁厚为0.8 mm，材质为0Cr18Ni9，数量各1根。 试验用换热器为套管换热器，换热管入水口、出水口端面上安置有弹簧悬架，悬架中间开有覫12 mm的孔，将自振弹簧的两端用螺栓与螺母紧密地连接在一起，自振弹簧在换热管中被拉直，悬架两端间距略长于自振弹簧的自由长度，因而自振弹簧在换热管的中间被定位。自振弹簧通过弹簧悬架固定于换热管的入口的中心处，使得自振弹簧在水流的冲击下自由振动。自振弹簧的振动作用与管程流体形成二次流，可增强管程中流体的湍流化程度，使换热得到强化，并防垢、抑垢。弹簧悬架的结构示意图见图1。 1.2试验装置及流程 试验装置及流程示意图见图2。试验装置由高温水回路、低温水回路、测量控制系统和试验用换热器组成。试验时，将壳程体积流量控制在1.35~5.25 m3/h，管程体积流量控制在0.7~2.8 m3/h,管程走热流体，壳程走冷流体。试验介质为水，每组试验开始时热水入口温度尽量接近60℃。热水经离心泵送入加热器加热后进入管内，管外冷水由离心泵直接泵入，冷流体和热流体的进、出口流量用电磁流量计测定，进、出口温度用温度传感器测定，壳程进口压力用压力传感器测定。在管程热水进口温度和流量保持恒定下，分别测试在壳程不同流量下传热与流阻试验的各参数值。试验所用管束的壁面比较薄且清洁无污物，因此在传热计算中忽略管壁内外温差，不考虑换热管的热阻、污垢系数和自然对流传热。 2·试验结果分析 2.1传热性能 6种不同几何参数的内插自振弹簧换热管和光管的传热性能关系曲线见图3。从图中可以看出，内插自振弹簧换热管的总传热系数K随雷诺数Re的增加而增加，这一点与光管相同。在相同Re下，内插自振弹簧换热管的总传热系数均大于光管，传热性能均优于光管。其中，对弹簧丝直径、弹簧圈外径相同而节距不同的内插自振弹簧换热管，节距小的总传热系数提高较大。弹簧丝直径、弹簧圈外径对总传热系数影响不大。 2.2阻力性能 6种不同几何参数的内插自振弹簧换热管和光管的阻力压降变化曲线见图4。从图中可以看出，在相同Re下，内插自振弹簧换热管的阻力压降均大于光管的。对弹簧丝直径、弹簧圈外径相同而节距不同的内插自振弹簧换热管，节距大的阻力压降小；对弹簧丝直径、节距相同而弹簧圈外径不同的内插自振弹簧换热管，弹簧圈外径大的阻力压降大；对弹簧圈外径、节距相同而弹簧丝直径不同的内插自振弹簧换热管，弹簧丝直径大的阻力压降大。 2.3强化传热综合效果 从相同输送功率下输送热量大小的观点出发，以（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3作为强化传热综合性能的评价准则。其中Nu为弹簧换热管的努塞尔数，Nuo为光管的努塞尔数，ξ为弹簧换热管的摩擦阻力系数，ξo为光管的摩擦阻力系数。当（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3>1时，强化传热有效。6种不同几何参数的内插自振弹簧换热管及光管的努塞尔数与流阻比变化曲线见图5。从图中可以看出，6种内插自振弹簧换热管的（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3均高于光管，其中2#内插自振弹簧换热管的（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3最大，故2#内插自振弹簧换热管的综合性能最好，依次是5#、4#、1#、3#及6#内插自振弹簧换热管，内插自振弹簧换热管的综合性能均好于光管。 3·内插自振弹簧换热管换热和阻力准则关系式 对试验数据进行处理得到的内插自振弹簧换热管管内的换热准则关系式和阻力准则关系式见表2。表中Pr为普朗特数；μ为定性温度处的粘度，μw为壁温处的粘度，Pa·s。 4·结论 ①自振弹簧的振动作用与管程流体形成二次流，可增强管程中流体的湍流化程度，使内插自振弹簧换热管具有较好的传热效果。 ②内插自振弹簧换热管的强化传热综合性能指标（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3是光管的1.03~3.21倍，内插自振弹簧换热管的综合性能均好于光管。2#内插自振弹簧换热管的（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3最大，故2#内插自振弹簧换热管的综合性能最好，其余依次是5#、4#、1#、3#和6#内插自振弹簧换热管。 ③拟合出的换热准则公式和阻力准则公式可为内插自振弹簧换热管的传热计算提供参考。 参考文献： ［1］董珊，刘殿殿，吴永红，等.管内插入物单相流体强化传热的试验研究［J］.热能动力工程，1990，5（1）:31￣35. ［2］赖学江，李炜炜，黄素逸，等.花板换热器及折流板换热器总熵增率性能评价［J］.石油化工设备，2009，38（3）：7￣10. ［3］张至英，戴干策.管内插入螺旋线圈强化传热的研究［J］.化工装备技术，1991，12(4):10￣15. ［4］谢洪虎，江楠.连续形螺旋折流板管壳式换热器强化传热机理的数值模拟［J］.石油化工设备，2009，38（增）：13￣18. ［5］孟祥春.管内插入螺旋丝强化传热的研究［J］.化工装备技术，1991，12（5）:8￣13. ［6］莫逊，虞斌.急冷器椭圆形套管传热性能的研究［J］.石油化工设备，2009，38（4）：26￣30. ［7］孙中宁，黄渭堂，阎昌琪，等.管内插入螺旋丝紊流对流换热性能研究［J］.核动力工程，1996，17（4）：337￣347. ［8］徐建民，王晓清.波节管管内流动和传热的数值模拟［J］.石油化工设备，2008，37（1）：8￣11. ［9］王勤获.管内弹簧插入物在线污垢清洗与强化传热技术［J］.炼油设计，1994，24（3）:57￣62.（张编） |
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