基于強(qiáng)化傳熱技術(shù)不同類(lèi)型換熱管傳熱特性的比較

楊宏嶺，徐冠群

（1京鼎工程建設(shè)有限公司，北京100101；2國(guó)家糧食儲(chǔ)備局武漢科學(xué)研究院設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430079）

基于強(qiáng)化傳熱技術(shù)不同類(lèi)型換熱管傳熱特性的比較

楊宏嶺1，徐冠群2

（1京鼎工程建設(shè)有限公司，北京100101；2國(guó)家糧食儲(chǔ)備局武漢科學(xué)研究院設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430079）

本文從換熱器的簡(jiǎn)介入手，隨后對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)三種類(lèi)型的管式換熱器的傳熱特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化傳熱的螺旋管換熱器具有良好的傳熱特性。

螺旋管；強(qiáng)化傳熱技術(shù)；傳熱特性

1 換熱器簡(jiǎn)介

換熱器是一種應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛的熱能轉(zhuǎn)化設(shè)備，其中管式換熱器以其自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、處理能力強(qiáng)、適用性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械、冶金、制冷等諸多領(lǐng)域當(dāng)中。雖然其它類(lèi)型的換熱器在近年來(lái)不斷涌現(xiàn)，但仍未改變管式換熱器在市場(chǎng)中的主導(dǎo)地位，其市場(chǎng)份額仍在70％以上。鑒于此，有必要對(duì)管式換熱器的傳熱性能進(jìn)行提高，這不但能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約一定的資金，而且還能降低能耗。

2 強(qiáng)化傳熱技術(shù)分析

人們對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的關(guān)注與重視開(kāi)始于19世紀(jì)末期，然而限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件非常有限，加之很多實(shí)驗(yàn)都無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，所以曾一度使強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究速度減緩，可將這個(gè)時(shí)期的強(qiáng)化傳熱技術(shù)歸為第一代技術(shù)；到了上個(gè)世紀(jì)70年代中后期，全球性的石油危機(jī)逐步影響到了各個(gè)國(guó)家，在這一背景下，節(jié)能降耗成為各個(gè)國(guó)家研究的重點(diǎn)課題，這也在一定程度上推動(dòng)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展，該階段的強(qiáng)化傳熱技術(shù)獲得了一定的進(jìn)步和完善，也由第一代技術(shù)向第二代技術(shù)過(guò)渡，這一代技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是在消耗能量保持不變的前提下，盡量多地為某些過(guò)程傳遞熱量；強(qiáng)化傳熱技術(shù)由第二代向第三代的過(guò)渡是在上個(gè)世紀(jì)90年初期開(kāi)始的，并在當(dāng)時(shí)取得了非常顯著的成果，直至近些年，第四代強(qiáng)化傳熱技術(shù)被提出。根據(jù)相關(guān)專(zhuān)家的研究結(jié)果，大體上可將強(qiáng)化技術(shù)分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是被動(dòng)型，另一類(lèi)是主動(dòng)型，前者的特點(diǎn)是無(wú)需借助外力，而后者則需要在換熱過(guò)程中額外增加能量。由于強(qiáng)化傳熱技術(shù)的不同，從而使得與之相對(duì)應(yīng)的傳熱機(jī)理也均不相同，但無(wú)論何種強(qiáng)化傳熱技術(shù)，其最終目的都是為了提高換熱效率。從目前的具體應(yīng)用情況看，最為常用的方法就是提高換熱器的總傳熱系數(shù)，如對(duì)換熱器管壁進(jìn)行改進(jìn)，使壁面形成螺旋狀，借此來(lái)增加有效傳熱面積，這樣便可在換熱量相等的情況下，降低能耗。

現(xiàn)階段，冷凝強(qiáng)化換熱管普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本論文主要討論比較管外冷凝工況相同的條件下螺旋管（這種管型是在螺旋片強(qiáng)化套管的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)后獲得的，其傳熱效果較好）、脊型肋管、圓形肋管三種冷凝強(qiáng)化管的強(qiáng)化效果。三種管型如圖2所示。

螺旋管主要是由光管為主要材料加工而成，斷面的形狀近似于橢圓，以一定的角度旋轉(zhuǎn)。相比較于光管，螺旋管以其擾流的形狀，可以對(duì)于通過(guò)的介質(zhì)造成干擾，不僅可以使得層流底層的厚度降低，而且還能夠使平均換熱系數(shù)提高，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的目的。

近些年來(lái)，關(guān)于微肋管的傳熱功效，已經(jīng)有過(guò)很多研究。其強(qiáng)化效果主要體現(xiàn)為管內(nèi)凝結(jié)和沸騰狀況，相比較于傳熱，且阻力增加的幅度要小很多。微肋管具有強(qiáng)化傳熱作用，主要在于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)于管周?chē)亩苇h(huán)流具有誘發(fā)的作用。

3 基于強(qiáng)化傳熱技術(shù)不同類(lèi)型換熱管傳熱特性的比較

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

在本次實(shí)驗(yàn)中，使用的主要儀器如下：精密壓力表，型號(hào)為YB150、該儀器的測(cè)量精度等級(jí)0.25、換熱器（可拆卸更換換熱管）、DZF電熱蒸汽發(fā)生器、溫度計(jì)、貯水箱、水泵、電磁流計(jì)量、U型水銀壓差計(jì)、同等長(zhǎng)度及等內(nèi)徑的螺旋管、脊型肋管、圓形肋管等等。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

為了保證本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始之前，需要對(duì)換熱管的表面進(jìn)行清潔處理，保證換熱管內(nèi)外無(wú)污垢。同時(shí)還需要對(duì)儀器儀表的性能和狀態(tài)進(jìn)行檢查，看其是否正常，然后對(duì)接線和電源進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)啟電源，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，便可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)換熱器殼程的蒸汽與管程的冷卻水并流換熱。流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1）將螺旋管裝入換熱器內(nèi)，擰緊，檢查無(wú)泄漏。向DZF電熱蒸汽發(fā)生器和貯水箱內(nèi)注入一定量的冷卻水。檢查無(wú)誤后，開(kāi)啟水泵及水泵出口閥門(mén)，促使管程冷卻水循環(huán)。之后，開(kāi)啟蒸汽發(fā)生器的電源，對(duì)DZF電熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)冷卻水水進(jìn)行加熱產(chǎn)生蒸汽，打開(kāi)蒸汽出口閥門(mén)，讓蒸汽流入，并使蒸汽在相應(yīng)設(shè)備中流通30min左右，待整個(gè)蒸汽通道內(nèi)排除不凝氣體之后方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。

2）調(diào)節(jié)水泵出口閥門(mén)將冷卻水速度設(shè)置為固定值，同時(shí)保持冷卻水入口溫度始終保持在一定的溫度，并且保證蒸汽入口的壓力與溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)。待管殼程流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，分別記錄下此時(shí)冷卻水出口與蒸汽出口溫度。當(dāng)冷卻水進(jìn)入到換熱系統(tǒng)中之后，假設(shè)流入入口之前的溫度為t1，流出后的溫度為t2，那么冷卻水所帶走的熱量即為：Q=WCp(t2-t1)。蒸汽的入口溫度為T(mén)1，出口溫度為T(mén)2，蒸汽所消耗的熱量為Q=WCp(T2-T1)。（其中，Q為熱量；Cp為水的比熱容，W為冷卻水的流量）。

3）調(diào)節(jié)水泵出口閥門(mén)，改變冷卻水的流量，并記錄冷卻水流量，依次記錄不同流量下冷卻水出口與蒸汽出口溫度，依據(jù)熱量方程計(jì)算不同流量下冷卻水帶走的熱量。

4）整體實(shí)驗(yàn)完成后，將各個(gè)閥門(mén)、蒸汽發(fā)生器、控制柜電源關(guān)閉。

5）將換熱器內(nèi)螺旋管拆卸下來(lái)，分別換上脊型肋管、圓形肋管，并在工況相同的條件下按照上述步驟進(jìn)依次進(jìn)行流動(dòng)、傳熱測(cè)試，記錄相應(yīng)的結(jié)果即可。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)相關(guān)的研究結(jié)論傳熱系數(shù)在流體處于湍流狀態(tài)（雷諾數(shù)Re＞4000時(shí)，一般為湍流）下的傳熱系數(shù)最佳。因此本實(shí)驗(yàn)主要研究針對(duì)流體處于湍流狀態(tài)下傳熱系數(shù)的比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在流體處于湍流狀態(tài)下獲得。在計(jì)算總傳熱系數(shù)時(shí)，將管外視為蒸汽冷凝，將管內(nèi)視為冷卻水被蒸汽發(fā)生器加熱，忽略不計(jì)管壁上所產(chǎn)生的熱阻。基于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化處理分析，對(duì)傳熱系數(shù)K進(jìn)行校正處理，根據(jù)雷諾數(shù)方程Re=dup/μ，（其中，d為管內(nèi)徑，u為流體的流速，p為流體的密度，μ為流體的粘度）、傅里葉方程Q=KSΔT（其中，Q為熱量，K為傳熱系數(shù)，ΔT平均溫差，S為換熱面積）及Gnielinski關(guān)聯(lián)式，對(duì)獲取螺旋管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且在工況不變的前提下，與圓形肋管和脊形肋管進(jìn)行對(duì)比得出螺旋管、圓形肋管、脊形肋管流體流動(dòng)狀態(tài)與對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 三種管型傳熱特性比較

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正處理之后，可以看出：當(dāng)Re在一定的范圍內(nèi)，冷卻水對(duì)螺旋管的對(duì)流傳熱系數(shù)達(dá)到了一個(gè)較高標(biāo)準(zhǔn)，其傳熱特性比較理想。螺旋管的內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果在低Re的情況下最佳，當(dāng)Re增大后，管內(nèi)的傳熱優(yōu)勢(shì)會(huì)有所減小，但在實(shí)驗(yàn)Re的范圍內(nèi)，螺旋管的總傳熱系數(shù)最大，其殼側(cè)的傳熱特性也非常良好，并且要優(yōu)于其它兩種管型。此外，螺旋管的加工效率較高，成本也比另外兩種管型更低，所以，它更適合在實(shí)際中應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)三種類(lèi)型的管式換熱器的傳熱特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在工況相同的情況下，同時(shí)的流體流動(dòng)狀態(tài)Re處于一定范圍的條件下螺旋管換熱器的傳熱特性最佳。因此，建議在實(shí)際應(yīng)用中以螺旋管換熱器作為首選。

[1]唐凌虹.謝公南.曾敏等.三種大管徑翅管式換熱器傳熱與阻力特性的試驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)報(bào).2010(7).

[2]游永華.管殼式換熱器中單相流體強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J]華中科技大學(xué).2013.

[3]劉春雷.栗江峰.劉明沖.管殼式換熱器振動(dòng)疲勞與強(qiáng)化傳熱技術(shù)評(píng)析[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè).2010(8).