螺旋角对三分螺旋折流板换热器实验方案

螺旋角对三分螺旋折流板换热器实验方案
    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。     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, 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。               
     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。 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。 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。