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顺排与叉排套片式换热器的热力性能对比研究点击：2259 日期：[ 2014-04-26 22:31:56 ] |
| 顺排与叉排套片式换热器的热力性能对比研究 欧阳新萍, 熊高鹏(上海理工大学制冷技术研究所,上海200093) 目前,国内一些行业(如炼油、化工、电力等)所采用的空冷器正朝高效、紧凑的方向发展。这些行业原来所采用的空冷器多为绕片式或双金属轧片式,现在正逐渐采用更为高效、紧凑的套片式(穿片式)换热器。套片式换热器的传热性能通常优于双金属轧片式和绕片式换热器,这正是一些行业用套片式换热器取代原换热器的主要原因。然而,套片式换热器的管外流体流动阻力也比双金属轧片式和绕片式换热器要大,在相同的风机驱动下,管外流体流量会减少,平均换热温差会减小,从而影响工艺参数及换热量。在一些应用场合,可能会产生得不偿失的结果。 解决上述问题的方法之一可以是采用顺排结构的套片式换热器。目前各种应用场合下的套片式换热器几乎都采用叉排结构方式。由于顺排结构的流动阻力一般要低于叉排结构,而套片式的流动阻力又要高于轧片式或绕片式,因而采用顺排结构的套片式换热器与采用叉排结构的双金属轧片式和绕片式换热器相比,在管间距相同的前提下,管外流体流动阻力将会相差不多,甚至可能降低,从而不会影响到管外流体的流量和换热温差。尽管顺排结构的传热性能与叉排相比可能会有所下降,但与阻力下降的幅度相比,传热性能的下降幅度较小。因为套片式的传热本身强于轧片或绕片,因而顺排套片式换热器的传热强度不大会弱于叉排的轧片管或绕片管。究竟效果如何,值得进行研究,特别是试验研究。目前对套片式换热器的研究基本都针对叉排结构形式[1-3],对顺排换热器的研究鲜见报道。从Ｗｏｎｇ[4]给出的光管管束的管外对流换热和流动阻力的计算式看,顺排的换热系数与叉排相比平均低5%,流动阻力平均低50%。可见顺排与叉排相比,管外换热的下降比流动阻力的下降幅度小很多。前苏联的动力技术物理研究所[5]对叉排和顺排的圆翅片管束的换热和阻力性能进行了研究,结果表明,顺排与叉排相比,阻力低45%左右,换热性能低20%左右。Ｋａｙｓ和Ｌｏｎｄｏｎ[6]研究了顺排和叉排的套片管管束换热性能,但所研究的顺排的套片管管束的管子是扁平管,圆管的套片管管束只研究叉排形式,而未研究顺排形式。从Ｋａｙｓ和Ｌｏｎｄｏｎ关于扁平管的顺排和叉排(相同管间距)套片管管束的研究结果看,顺排的阻力低40%左右,换热低10%左右。上述的研究结果表明,相同管间距下顺排管束的换热强度固然比叉排低,但管外流动阻力的降低幅度要大得多。尽管套片管的特性与光管和翅片管不同,圆管与扁平管也不一样,但从定性上来看,应该是一致的。至于定量的数据,这正是要被研究的内容。综上所述,顺排与叉排相比,换热强度低得不多,阻力却下降很多,因而在某些对阻力有限制的场合,顺排是值得考虑的一种排列方式。本次研究主要采用试验研究的方法,分别对顺排和叉排的两个套片式换热器试件进行了试验。 1 换热器的结构尺寸及试验方法 试验研究主要针对用于空气冷却器的圆管套片式(穿片式)换热器以叉排和顺排形式排列管束时的传热性能和管外空气流动阻力性能进行对比。 为确定试验的片型,先选用了一些炼油行业应用比较典型的叉排套片片型,如图1所示。为了与之对比,一种专门用于此次对比试验的顺排套片片型被开发出来,如图2所示。 用该两种片型制作的叉排和顺排的试件简图示于图3和图4。 从图1和图2可以看到:顺排片型的纵向管间距(42ｍｍ)设计与叉排片型相同,这样当两者管排数相同时,空气流动方向的外形尺寸也基本相同,这便于两者之间的空气流动阻力比较。顺排的横向管间距设计为42ｍｍ,与纵向管间距相同,这是参照大多数顺排排列方式而确定的。顺排片型的横向外形尺寸(126ｍｍ)小于叉排片型(193ｍｍ),片中为6个管孔,小于叉排的8个管孔,这是为了实际产品中安排管子的排数和列数更加方便。两个试件的翅片片距为2.5ｍｍ,片厚为0.2ｍｍ,翅片材料为铝,基管材料为碳钢。基管采用碳钢可以降低产品成本,增加对管内流体的承压能力,但对胀接工艺提出了更高的要求。 试验在吸风式风洞试验台上进行,试验系统简图如图5所示。试验时,试件的管内通热水,管外空气横掠。空气进、出试验段的温度由布置在试验段前后流通截面上的热电偶堆测量,空气的流量由毕托管测量。在试件前后的风道上装有测压点,测量两处的静压压差,即可得到空气流动阻力。试验过程中,保持水的流速和定性温度基本不变,即保持水侧的对流换热热阻基本不变,调整、选定空气的流速,得到一系列的试验工况点的试验数据。对于结构不同的两个试件的传热性能的比较,选取传热系数或对流换热系数作为比较参数可能会存在偏差,因为这两个参数的数值与所选取的传热面积有关,而结构不同的两个试件往往很难找到合理的计算传热系数或对流换热系数用的基准传热面。经研究,以下的比较指标更合理:即单位试件体积、单位换热平均温差的换热量。这个比较指标用ｙ表示,单位为Ｗ·ｍ-3·ｋ-1。比较的横坐标为试件迎风面空气流速,用符号ｖ表示,单位为ｍ ｓ。由于两种试件的管排数、纵向管间距、纵向外形尺寸都一样,因此两种试件的阻力可直接进行比较。横坐标也是试件迎风面空气流速ｖ。阻力用符号ｄｐ表示,单位为Ｐａ。 2 试验结果及讨论 对实验数据进行整理,得到顺排和叉排试件的管外换热准则关系式和管外流体流动阻力准则关系式。管外换热准则关系式 两个试件的传热性能和管外流体流动阻力性能的比较结果如图6、图7所示。 从中可以看出:两者的换热和阻力图线非常接近。在常规的迎面风速范围(2.0～4.0ｍ ｓ),两者的平均差别小于3%。这说明:①由于两者的传热和阻力性能都相差甚小,在有其它因素需考虑的时候,可以选择顺排方式。如本文的顺排排列方式(图2),单位体积的管子数要多于叉排(图1),如果管内流体的通流量较大,就可以选择顺排方式。②如果将顺排片型的横向管间距(42ｍｍ)拉大,使其等于叉排的横向管间距(48ｍｍ),即使得两者的单位体积的管子数相等,则这种片型的顺排试件的空气流动阻力将肯定低于叉排试件。这是由于横向管间距拉大后,管间通流截面积将增大20%,亦即在空气迎面流速相同时,管间空气流速将降低20%,按照通常的流速与流阻的关系,再考虑到扰动的减弱,拉大横向管间距后的顺排片型的空气流动阻力将比叉排片型低30%～40%。也就是说,在单位体积的管子数相同的前提下,采用顺排方式与采用叉排方式相比,管外空气或气体的流动阻力有较大幅度的降低。这时传热系数也会降低,按照通常的流速与传热性能的关系,再考虑到扰动的减弱,拉大横向管间距后的顺排片型的传热性能将比叉排片型的低10%～20%。因此,在某些对管外流体阻力降有严格限制而传热能力已较强的场合,采用顺排布置不失为一种合适的选择。如前所述的套片式换热器取代轧片式换热器的场合,在一些行业中,要求的管内热流体的出口温度很低,在44°Ｃ左右,空气的设计进口温度为37°Ｃ,换热温差非常小。如果叉排套片取代叉排轧片使得管外空气流动阻力增大,则空气的流速、流量势必降低,空气的进出口温升将会增大,由此将使得本来就很小的换热温差进一步降低,严重影响换热。而用顺排套片取代叉排轧片就可以消除这种影响。至于传热性能,由于套片式换热器的传热能力本来就高于轧片的,由叉排改顺排造成的传热性能的下降不会对换热构成太大的影响。 3 结 论 (1)对于结构不同的两个试件的传热性能的比较,用单位试件体积、单位换热平均温差的换热量作为比较指标是更合适的。 (2)选用合适的管间距的顺排套片式换热器的热力性能可以达到叉排套片式换热器的效果。 (3)对于作为空冷器的套片式换热器而言,在管内流体流量较大的场合,或对于管外流体阻力降有严格限制而换热管的传热能力已较强的场合,在管间距基本相同的前提条件下,顺排形式的管束排列方式是更合适的选择。 |
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