波纹管式换热器
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上行光管内置铝制扭带的换热与阻力试验研究点击：1832 日期：[ 2014-04-26 22:05:53 ] |
| 上行光管内置铝制扭带的换热与阻力试验研究 王军 林清宇 冯振飞 林榕端 (广西大学化学化工学院) 摘要:针对换热器在工业生产中不可避免地产生污垢,严重影响换热器性能的情况,内置扭 带是一种已被证实兼有防垢除垢及强化传热的双重作用的技术。介绍了铝制扭带的换热试验研究 方法。在改造的传热试验设备中,通过将9种不同结构参数的铝制扭带放置到换热管内,调节冷 水阀,观察扭带在预计流量起转时进行传热试验。结果表明,内置扭带的换热管的总传热系数大 于光管的数值,增大范围为9%~20%,内置扭带具有良好的强化传热作用。采用线性回归得到 了与扭带结构参数相关的摩擦因数和努塞尔准数关联式,并通过性能评价,得到了评价因子= 1·13~1·25,证明铝制扭带具有强化传热的实用价值。 关键词：换热器 铝制扭带 强化传热 阻力性能 引 言 作为一种通用设备,换热器广泛应用于各个生 产生活领域,换热器的节能高效一直是研究者追求 的目标。作为工业生产中不可避免的副产品,污垢 的产生和存在对换热器产生了严重的影响:一方面 恶化了换热器的换热性能,造成很大的传热阻力 另一方面,污垢减小了换热管道的流通面积,增大 了换热管的粗糙度,导致流体压力降增大,增加了 泵功率的消耗;同时污垢还可能带有腐蚀性,对换 热面造成侵蚀破坏;成为由于局部过热引发暴管的 罪魁[1-2]。因此,换热器的除垢防垢成为实现换热 器节能高效的关键技术之一。 内置扭带作为一种已被试验证实、简单而行之 有效的防垢除垢及强化传热技术,一直受到研究者 的青睐。笔者所研究的铝制扭带,安装在上行流的 立式换热管内,在水流的作用下自行旋转。旋转的 扭带反作用于水流,使流体呈螺旋状推进,扰动边 界层,提高了流体的湍流程度;另一方面,由于扭 带在旋转的同时还不停地摆动,刮扫管壁,有效地 防止和除去管内壁上的污垢[3]。 笔者拟介绍铝制扭带的换热试验研究方法,通过试验得到阻力及换热特性,并且对其性能进行合 理的评价。 试 验 方 法 1·试验设备 对原有的传热试验设备进行了简单的改造,实 现管内被加热介质水的上行流动,试验设备如图1 所示。换热器试验段的壳程是外部有约50mm厚 的玻璃纤维保温层的钢管,内部管程采用规格为 25mm×2·5mm、有效长度为3m的无缝钢管。 管程内的工作介质为水,通过在管内插入不同规格的自旋铝制扭带对水流作用;壳程的加热介质 是由DZF电蒸汽发生器产生的饱和蒸汽。在换热 器管程的进出口以及壳程的中部分别设置有温度 计,以测量介质的进、出口温度和壳程饱和蒸汽的 温度。管程的阻力降通过水银压差计测量而得,水 的流量用型号为IFM4080F的电磁式流量计控制调 节到适当的测定点。将反光镜片用胶布粘贴在自旋 扭带的下部转轴上视镜可见的地方,用SZG—441B 手持式数字测速仪测量其转速。 2·试验过程 将不同规格的扭带放置到换热管内,开启蒸汽 装置,缓慢调节冷水阀,观察扭带起转时的流量。 当扭带能够在预计流量(一般在0·3~0·8m3/h) 起转时,方可进行传热试验。如果不能正常起转, 检验后重新安装。 试验中需要测定的数据有饱和蒸汽表压p、换 热器壳程饱和蒸汽温度t3、水的进出口温度t1、t2, 及压差Δh、流量V。试验过程中逐次递增流量, 从0·2m3/h开始到1·00m3/h每次增加0·1m3/h, 从1·00m3/h到4·00m3/h每次增加0·25m3/h。 当流量达到4·00m3/h后,逐次递减流量,直至流 量为0·2m3/h,记录相应数据,如表1所示。 3·铝制扭带的结构及参数 扭带是由密度小,导热率高,耐腐蚀性好,厚 度为0·5mm的铝条扭转而成,有效长度为3m。扭带的主要结构参数有节距H、宽度D、扭转比Y (Y=H/D),如图2所示。 扭带的编号采用LDD—Y,试验所用的9根扭 带及1根未扭转的平带规格有3种。①11系列: LD11—3·27、LD11—4·13、LD11—4·15;②12系 列:LD12—4·17、LD12—5·10、LD12—6·10、平 带LD12—0;③13系列:LD13—4·17、LD13— 5·05、LD13—6·12。 试验结果及讨论 1·流体阻力损失 流体阻力损失是以流体流过换热管产生的压降 衡量。阻力损失包括直管阻力损失和由于管道截面 发生突变导致流体在流过这些截面时产生的局部阻 力损失。通过测定光管与不同规格扭带插入后在水 银压差计上指示数值的大小,计算出不同流量下阻 力损失,即 最后可以归纳得到摩擦因数与雷诺数、扭率以 及扭带与管内径之比之间的关系。 由试验结果可知,内置扭带换热管产生的流动 阻力损失与流速近似成平方关系,其数值大于无内 置扭带的光管,最大约为光管的1·72倍。宽度为 12mm的未经扭转且固定的平带同样带来很大的阻 力降,是相同宽度扭带的0·88~0·96倍。由此得出,铝制扭带的插入增加了流体的阻力损失,只有 损失能量的小部分转化为维持扭带旋转的动能。宽 度D和扭转比Y是影响扭带阻力损失的两大结构 参数。 扭带产生较大阻力损失的同时,也引起摩擦因 数的增加(见图3),在较低雷诺数(Re<15000 时,内置扭带的摩擦因数显著大于光管,但在发展 为完全湍流态后,其摩擦因数越来越接近,逐渐趋 向某一数值。内置没有扭转的平带呈现出同样的变 化规律,即阻力系数由层流过渡流时的急速下降到 湍流区后逐渐平缓的变化。出现这种情况的原因, 是由于流体到了湍流状态的时候,内置扭带对流体 造成的扰动已经远远不及层流时造成的影响。 2·强化传热分析 传热试验的目的是为了考察铝制扭带的强化传 热效果。由试验结果可知,内置扭带的换热管的总 传热系数大于光管的数值,试验中测得增大范围为 9%~20%,内置扭带具有良好的强化传热作用。 对于宽度相等的扭带,节距小的扭带其强化传热效 果要优于节距大的扭带;扭转比相近的扭带,宽度大的强化传热效果更优。通过宽度为12mm的平 带对传热影响的分析得到,与12系列扭带相对比, 平带也起到了一定的强化传热效果,但不及扭带。 换言之,即使扭带的节距无穷大,仍能起到强化传 热的作用,但起不到除垢与防垢的效果,因此只适 用于洁净的流体。 表征传热效果的另一个重要考察参数是努塞尔 准数Nu。如图4所示,从图可以看出,扭带的Nu 准数都大于光管的数值,其变化趋势一致,说明扭 带的插入引起流体产生的强制旋流和二次流对传热 过程起到促进的作用,当然,产生这种促进作用的 同时也带来了阻力损失的增大。 使用该关联式计算得到的数值与379个试验值 进行对比,85%以上的试验数据的误差都在15% 以内。根据函数的增减性,Nu随着扭带宽度增大 而增大,随着扭转比的增大而减小。 3·性能评价 衡量一项强化传热新技术是否具有实际价值, 必须对其进行性能评价。这主要是为了衡量强化传 热所带来的换热器性能的提高是否高于额外能量消耗的增加。此处以: 作为性能评价标准[4]。只有当>1,强化传热才有实际利用价值。 根据相关的试验数据,然后带入该式中进行性能评 价。在雷诺数为5000~72000的范围内,所有扭带的均大于1,其变化范围为1·13~1·25。即铝 制扭带具有强化传热的实用价值。 结 论 (1)与空管相比,内置铝制扭带增大了换热 管的流动阻力损失,其最大值为光管的1·72倍。 流动阻力损失与流速近似成平方关系。 (2)铝制扭带使换热管的总传热系数增大, 没有扭转的平带也可以起到强化传热的效果。扭带 的强化传热提高率在9%~20%。 (3)进行多元线性回归,得到了摩擦因数与 雷诺数、扭带与管内径之比以及扭转比之间的关联 式(见式3)。 (4)建立了包含扭带结构参数的关于Nu的关 联式(见式4)。 (5)由性能评价可知,换热管内置铝制扭带 是一种行之有效的强化传热技术。 参 考 文 献 [1] MarkowskiM,UrbaniecK·Optimalcleaningschedule forheatexchangersinaheatexchangernet- work·AppliedThermalEngineering,2005,25(7): 1019-1032· [2] 王锡文·换热设备的污垢危害及费用估计·黑龙江 电力,2005,27(4):297-300· [3] 刘桂英,彭德其,俞秀民,等·工程用自动清洗强 化斜齿扭带的研究·化肥工业,2004,31(4):25 -27· [4] 顾维藻,神家锐,马重芳,等·强化传热·北京: 科学出版社,1990:9-15· |
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