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高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能

点击:759 日期:[ 2014-04-26 21:53:33 ]
                     高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能                           高学农 邹华春 王端阳 陆应生      (华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640)     摘 要:以水为介质,研究了不同截面短长轴比(B /A=0·27~0·47)和扭曲比(即导程与直径比,S/de=17·19~50·62)的高扭曲比螺旋扁管的管内传热和流阻性能.实验结果表明:高扭曲比螺旋扁管的管内努塞尔数和阻力系数均随B /A值和S/de值的增大而减小,但随B /A值的增加而减小得更快,B /A值对高扭曲比螺旋扁管的管内传热与流阻性能影响更大;在相同雷诺数和普朗特数下,高扭曲比螺旋扁管管内的努塞尔数为光滑管的1·3~2·5倍;阻力系数为光滑管的1·2~1·5倍.文中还通过多元线性回归法对实验数据进行了分析,提出了高扭曲比螺旋扁管管内努塞尔数和阻力系数的准数方程式,其最大误差分别是12%和6%,从而为该类型螺旋扁管换热器的工程设计提供了依据.     关键词:螺旋扁管;传热强化;流阻;扭曲比        中图分类号:TK124; TQ021. 3  文献标识码:A    文章编号:1000-565X(2008)11-0017-05     1984年瑞典Allares公司成功设计制造了第一台工业应用的螺旋扁管换热器,后经美国Brown-Fintube公司改进,螺旋扁管换热器便广泛应用于化学、石油、造纸、电力、钢铁矿物质处理等行业[1].与传统的管壳式换热器相比,螺旋扁管换热器具有压降小、传热效率高、不易结垢、易清洗、无折流板、无振动、成本低等优点[2].     螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面都为一扁圆.一般认为流体在管内周期性的螺旋流动可以使流体冲刷壁面,减薄边界层,同时引起流体的二次流动,促进流体的径向混合,从而加剧流体的湍流.从20世纪80年代起,俄罗斯的一些学者就开展了系列的研究,主要侧重于研究流体在螺旋扁管管束中各管相互支撑形成的通道内流动的特征、传热传质性能及流动阻力等[3-7].近年来,国内也开始对螺旋扁管的传热性能和机理进行研究,但大多是通过数值模拟方式进行,少量实验研究主要集中在管内低雷诺数(Re)和短长轴比B /A>0·5、扭曲比S/de<12的情况,且实验所采用的螺旋扁管参数种类也较少,因而所得到的传热与流阻关联式具有较大的局限性[8-9].文献[10]只给出了以空气为介质、扭曲比S/de为6·5的螺旋扁管内传热关联式.另有学者对较低雷诺数条件下扭曲比S/de在6~12之间的螺旋扁管换热器进行了实验研究,提出了管内的传热和流阻的关联式[11-13].对于高扭曲比的螺旋扁管,张杏祥等[14]采用数值模拟计算了扭曲比S/de最高为26·43时螺旋扁管换热器的传热系数.目前尚未见有关高扭曲比螺旋扁管传热与流阻性能研究的报道.本文以水为介质,研究了9种不同结构参数(B /A=0·27~0·47,S/de=17·19~50·62)的高扭曲比螺旋扁管管内传热性能和流阻性能,并与光滑管数据进行对比,提出了针对不同结构参数螺旋扁管管内传热与流阻的实验数据关联式.     1 实验装置及方法     1. 1 实验系统     实验系统主要由试验段、冷水循环系统、热水循环系统、数据采集系统等组成,实验流程如图1所示.                     管外流体为热水,在热水箱内经电加热器加热到一定温度后,经离心泵泵送至试验段螺旋扁管与套管间的环隙中,与管内冷水换热后送回热水箱;管内流体为冷水,在冷水箱中由离心泵泵送到试验段与套管环隙中的热水换热,再经过冷却塔冷却后回到冷水箱.在各个离心泵的出口处都设置了一个回路,通过阀门来控制管外和管内流体流量.管内和管外的水流量由玻璃转子流量计测量.管内和管外流体的压降由U型压差计测量.水箱内水温通过精密温度控制仪控制,在图1中的“×”点位置布置了14对铜-康铜热电偶.温度由连接计算机的HP Agi-lent34970A型数据采集仪采集,通过计算机记录数据,设置记录频率为每隔10 s采样1次,取2min内的平均值.     实验中首先保持管外热水流量、进口热水的温度和管内流体入口温度不变,依次改变冷水流量,考察管内冷水流量的变化对管内传热性能及流阻性能的影响;然后再固定管内冷水流量及管外进口热水温度不变,依次改变管外热水流量,考察管外热水流量的变化对管内传热性能及流阻性能的影响.     1. 2 高扭曲比螺旋扁管的结构参数     实验使用套管换热器的壳体尺寸为40×2mm.实验传热管共10根,其中1根是规格为19×1·5mm光滑紫铜管,其它9根为用同样规格的光滑紫铜管加工出来的具有高扭曲比的螺旋扁管.各换热管的有效长度为800mm.高扭曲比螺旋扁管由传热强化与过程节能教育部重点实验室产学研基地桂林新艺制冷设备有限公司扎制.实验螺旋扁管管内结构参数如表1所示.                     2 实验数据处理     所有测量参数都是在某段时间内的稳定状态下所记录的平均值,各物性参数的定性温度为进出口温度的平均值.     2. 1 螺旋扁管内壁温度计算     实验中不便于直接测量管内壁温度,因此需要通过测量管外壁温度,进而采用圆柱壁导热方程式计算获得内壁温度.     管内流体的热流量为     Q1=qm1c1(T′1-T″1) (1)     管外流体的热流量为     Q2=qm2c2(T″2-T′2) (2)     式中:qm1和qm2分别是管内和管外的质量流量,kg/s; c1和c2分别是管内和管外流体的恒压热容,J/(kg·K); T′1和T″1分别为管内流体进口和出口温度,K;T′2和T″2分别为管外流体进口和出口温度,K.将实验数据代入式(1)和(2)中进行实验系统的热平衡校验,Q2和Q1的最大相差值小于3%.螺旋扁管热流量以管内热流量为基准计算.螺旋扁管内壁温度可由下式求得:                    式中:Tw1和Tw2分别为螺旋扁管内壁和外壁温度,K;Q为通过壁面的热流量,W,Q=Q1;Kw为管壁面导热系数,W /(m2·K); r1和r2分别为螺旋扁管对应胚管的内外半径,m; l为螺旋扁管长度,m.     2.2 管内努塞尔数(Nu)的计算     管内平均对流传热膜系数                    式中:Fi为传热管内有效表面积,m2;Ti为管内流体定性温度,Ti=(T″1+T′1) /2,K.     管内流体努塞尔数                    式中:Ki为管内冷水的导热系数,W /(m2·K);dei为管内当量直径,m、dei由下式求得                   式中:Ac为螺旋扁管管内径向任意椭圆截面的面积,m2;P为螺旋扁管管内径向任意椭圆截面的周长,m.     2.3 阻力系数     管内流体阻力系数                    式中:Δpi为管内流体压降,Pa;ρi为管内流体的密度,kg/m3;ui为管内流体的平均流速,m/s.     3 实验结果讨论      3.1 管内强化传热     10号光滑管和9根不同结构参数的高扭曲比螺旋扁管的Nu随Re的变化如图2所示.                  在相同的Re下,螺旋扁管的传热效果优于光滑管,这是因为螺旋扁管管内为弯曲的螺旋流道,流体在管内运动时,受到离心力的作用而周期性地改变流动速度和方向,从而增强了流体的径向混合,破坏了传热边界层,强化了传热.随着Re的增大,不同结构参数套管换热器的管内Nu增大的速度逐渐减缓,趋于一定值.     在相同的Re下,相同长短轴之比的高扭曲比螺旋扁管,管内Nu随导程的减小而增加.这是因为导程越小,螺旋扁管扭曲得越厉害,管内流体的螺旋流动越能促进流体的湍流和混合,从而能更好地强化传热.对导程为400mm的1#、4#、7#管,导程为300mm的2#、5#、8#管及导程为200mm的3#、6#、9#管,具有相同导程的螺旋扁管的管内Nu随着B /A值的减小而增大,这是因为在相同的Re下B /A值小的换热管其截面积更小,管内流速更大,更能促进管内对流换热.     不同结构参数的高扭曲比螺旋扁管的Nu与光滑管Nus的比值随Re的变化关系如图3所示.                   在一定的Re下,Nu /Nus大小可以反映高扭曲比螺旋扁管相对于光滑管的强化传热性能.     由图3可知,在Re=4000~10000的情况下,Nu /Nus值较大,其最大值可达到2·5,强化传热作用明显,这是因为在低Re下,光滑管内流动为层流,而此Re下的螺旋扁管内由于流道截面积小、流速大,流经螺旋管道后产生旋转运动,受离心力作用而周期性地改变流动速度和方向,增加了流体的湍流度,从而强化了传热,同时流动阻力也进一步增加.随着Re进一步增大,Nu /Nus值变小,这是因为在较高的Re下,光滑管内的流体也处于旺盛的湍流状态,高扭曲比螺旋扁管的强化传热效果相对减弱.     3.2 管内流阻性能     光滑管阻力系数参照式采用经典的布劳修斯公式                    不同结构参数的高扭曲比螺旋扁管管内流体阻力系数随Re的变化如图4所示.                    由图4可见,光滑管阻力系数f的实验值与式(8)的计算值比较接近.从图4可以看出,管内Re=9000~20000、普朗特数Pr=6·0~7·5时,不同结构参数的高扭曲比螺旋扁管管内阻力系数均大于光滑管,在相同Re下,9根螺旋扁管管内f值从大到小的顺序为9#>8#>7#>6#>5#>4#>3#>2#>1#.由换热管的结构参数可知, 9#、8#、7#管的B /A值最小,6#、5#、4#管的B /A值次之, 3#、2#、1#管的B /A值最大.可见,管内f值均随B /A值和S/de值的增大而减小,但是,f值随B /A值的增大而减小得更快,因而B /A值是影响高扭曲比螺旋扁管管内压降的主要因素.     不同Re下各种结构参数的高扭曲比螺旋扁管与光滑管管内阻力系数之比(f/fs)如图5所示.                   由图5可见, 9#螺旋扁管(B /A=0·27,S/de=25·30)管内阻力系数最大,是光滑管的1·2~1·5倍.随着Re的增大,不同结构参数的螺旋扁管与光滑管管内阻力系数比f/fs逐渐减小,当Re增大到12000时,减小的趋势开始缓和.     3. 3 管内强化传热性能的评价     对于高扭曲比螺旋扁管,其传热强化的评判均与具有相同Re和流体物性的光滑管比较.强化传热评判标准采用相同泵功耗条件下的强化性能,按式(9)定义[15]:             不同结构高扭曲比螺旋扁管管内传热强化效率η随Re的变化曲线如图6所示.                  由图6可知,在Re=8000~20000时,不同结构参数螺旋扁管相对光滑管的管内强化传热效率η都随Re的增大而减小,当Re增大到11000左右时,η减小的趋势开始缓和,说明高扭曲比螺旋扁管比较适合较低雷诺数(Re<10000)流体的强化传热.在雷诺数比较大(Re>11000)的时候,强化传热效率比较低.     此外,从图中还可以看出,短长轴比B /A最大的一组螺旋扁管(1#、2#、3#,B /A=0·47)的强化传热效率非常低,在Re=8000~20000时,η仅为1·01~1·18,说明减小短长轴比B /A有利于提高螺旋扁管的强化传热效率.对于短长轴比B /A相同的每组螺旋扁管,扭曲比S/de较小的螺旋扁管管内强化传热效率较高,说明减小扭曲比S/de有利于提高螺旋扁管的强化传热效率.可见在Re=8000~20000,B /A=0·27~0·47,S/de=17·19~50·12时,在压降允许的情况下,减小B /A和S/de有利于提高螺旋扁管在相同泵功耗条件下的强化传热性能.     考虑到Pr数为反映物性参数的准数,不会因为换热管参数改变而发生改变,且由于本实验的管壳程流体温度差较大,因此参照Sieder-Tate公式中Pr指数值,采用多元线性回归的方法对实验数据进行拟合得到以下准则方程式:                    式(10)、(11)的适用范围为Re=5000~20000,Pr=6·0~7·5.与实验数据相比,式(10)最大误差为12%,式(11)最大误差为6%.     4 结语     实验结果表明,高扭曲比螺旋扁管管内具有较好的强化传热性能,在实验范围内,S/de值越小、B /A值越小强化传热性能越好,同时压降也越大.相对于S/de,短长轴比B /A对高扭曲比螺旋扁管管内强化传热和压降的影响更大.为降低泵功率而又不降低高扭曲比螺旋扁管管内强化传热效率,应采用小S/de、较大B /A.在压降允许的情况下,减小B /A和S/de有利于提高螺旋扁管在相同泵功耗条件下的强化传热性能.     参考文献:略
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