內(nèi)置開(kāi)孔螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)

何長(zhǎng)江，關(guān)昌峰，張震，何立臣，閻華，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

換熱器作為冷熱流體熱交換設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域，其換熱效率的好壞直接決定著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。內(nèi)插件是換熱器應(yīng)用較廣泛的一種強(qiáng)化傳熱技術(shù)，其安裝于換熱管中，對(duì)管內(nèi)流體進(jìn)行作用，提高其湍動(dòng)程度，降低邊界層厚度，提高強(qiáng)化傳熱效果。目前對(duì)于內(nèi)插件的研究主要集中在對(duì)其原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上，以期能夠達(dá)到降低阻力，增強(qiáng)換熱效果的目的。Bhuiya 等[1]針對(duì)開(kāi)孔螺旋扭帶的強(qiáng)化傳熱及阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并且對(duì)比分析了扭帶開(kāi)孔率（圓孔面積總和與扭帶單側(cè)表面積的比值）對(duì)其強(qiáng)化傳熱及阻力性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明：扭帶開(kāi)孔率對(duì)其強(qiáng)化傳熱性能的影響不是很有規(guī)律，并且開(kāi)孔率為4.5%的扭帶的強(qiáng)化傳熱綜合性能最佳。Thianponga 等[2]對(duì)不同的開(kāi)孔與兩側(cè)開(kāi)翼片組合的扭帶的傳熱特性和壓降阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，組合紐帶的傳熱特性和壓降阻力特性都有一定的提高。

組合轉(zhuǎn)子裝置是一種新型的內(nèi)插件技術(shù)，前人對(duì)其做了很多富有成效的研究。張震等[3-7]采用實(shí)驗(yàn)及模擬手段研究分析了組合轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)子間距、左右旋向組合方式等對(duì)其強(qiáng)化換熱性能的影響。姜鵬等[8-9]分析了相間內(nèi)插螺旋開(kāi)槽轉(zhuǎn)子與低流阻轉(zhuǎn)子不同數(shù)目，以及不同導(dǎo)程的轉(zhuǎn)子對(duì)強(qiáng)化傳熱效果的影響。彭威等[10-11]采用實(shí)驗(yàn)手段研究了螺旋葉片和開(kāi)槽螺旋葉片兩種結(jié)構(gòu)組合轉(zhuǎn)子以及間隔開(kāi)槽螺旋葉片轉(zhuǎn)子的綜合傳熱性能。然而目前研究主要集中在轉(zhuǎn)子不同組合以及結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)化傳熱性能的影響，葉片開(kāi)孔對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱性能的影響未見(jiàn)報(bào)道。對(duì)不同開(kāi)孔轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱規(guī)律的研究有助于進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對(duì)提高轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱性能有很好的指導(dǎo)意義。因此，本文分別選取孔徑比S 為0、0.25、0.375 的螺旋葉片轉(zhuǎn)子，研究葉片表面開(kāi)孔對(duì)強(qiáng)化傳熱性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，該實(shí)驗(yàn)裝置是由冷熱媒系統(tǒng)、換熱實(shí)驗(yàn)段及測(cè)量控制系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集。換熱實(shí)驗(yàn)管段為內(nèi)外管材均為不銹鋼的套管結(jié)構(gòu)形式，由尺寸為φ57mm×3.5mm 的外管及尺寸為φ25mm×0.5mm的內(nèi)管組成，換熱管有效長(zhǎng)度為2m。殼程的熱媒與管程的冷媒采用逆流換熱的方式，實(shí)驗(yàn)管段、連接管線及水箱均采用低氯巖棉材料保溫。

實(shí)驗(yàn)中殼程為熱水，管程為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的甘油水溶液，殼程流量為3.5m3/h，管程流量在1.8～4m3/h 范圍變化，變化幅度為0.2m3/h，分別通過(guò)電加熱器和制冷機(jī)控制熱媒溫度為56℃、冷媒溫度為30℃，對(duì)轉(zhuǎn)子傳熱和阻力特性進(jìn)行測(cè)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖2 內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管結(jié)構(gòu)示意

實(shí)驗(yàn)采用的組合轉(zhuǎn)子裝置如圖2 所示，其主要由轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、掛件和限位件等幾部分組成。若干穿裝于轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子被限位件分組以及固定，起到支撐以及固定作用的掛件將穿裝轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸固定于換熱管的兩端。轉(zhuǎn)子在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，擾流管內(nèi)流體，起到強(qiáng)化傳熱以及防垢的作用。

本實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)子如圖3 所示，轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度為27.5mm，葉片外徑為22mm，兩葉片對(duì)稱地沿空心軸螺旋排布，葉片導(dǎo)程為200mm。定義孔徑比S 為轉(zhuǎn)子葉片開(kāi)孔直徑與換熱管內(nèi)半徑的比值，選取S為0、0.25、0.375 的轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖3 實(shí)驗(yàn)用轉(zhuǎn)子

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 傳熱計(jì)算

實(shí)驗(yàn)段管程殼程的冷熱媒流體達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，管內(nèi)冷媒的吸熱量以及管外熱媒的放熱量可表示為式（1）、式（2）。

式（1）和式（2）中 ipc , 、0,pc 分別為甘油水溶液和熱水的定壓比熱容；1t 、2t 為管程進(jìn)出口溫度；1T 、2T 為殼程進(jìn)出口溫度；cM 、hM 分別為管程以及殼程的質(zhì)量流量；hQ 為殼程流體放熱量；cQ 管程流體吸熱量。

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，本實(shí)驗(yàn)采用冷熱流體的平均換熱量aveQ 作為換熱過(guò)程的傳熱量，見(jiàn)式（3）[12]。

同時(shí)，為檢測(cè)管程以及殼程換熱過(guò)程的平衡性，管程、殼程的換熱量還應(yīng)滿足式（4）。

冷熱流體對(duì)流換熱過(guò)程總傳熱系數(shù)K 為式（5）。

式中，Ao為換熱器的換熱面積。

冷熱流體進(jìn)出口溫度的對(duì)數(shù)平均溫差 mTΔ 計(jì)算如式（6）。

運(yùn)用威爾遜圖解法從總換熱系數(shù)K 分離得到管程對(duì)流換熱系數(shù)hi，見(jiàn)式（7）。

式中，λi為導(dǎo)熱系數(shù)；de為換熱管內(nèi)徑。

1.3.2 阻力系數(shù)的計(jì)算

換熱管管程阻力系數(shù)f 可以通過(guò)式（8）計(jì)算得到。

式中，de為管程當(dāng)量直徑；u 為管程流體流速；ρ 為管程流體密度；Δp 為管程進(jìn)出口壓差；l 為換熱管長(zhǎng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中推導(dǎo)所得的間接量φ的不確定度由式（9）確定。

式中，ix 為實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量值。溫度T 的不確定度為1%，流量M 的不確定度為1.1%，壓差Δp 的不確定度為1.44%，因此換熱量的不確定度為1.487%，傳熱系數(shù)K 的不確定度為1.792%，Nu 的不確定度為1.996%，阻力系數(shù)的不確定度為2.63%。

2.2 光管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確性，對(duì)光管進(jìn)行了傳熱以及阻力實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)得到的努塞爾數(shù)Nu 以及阻力系數(shù)f 分別與相同雷諾數(shù)條件下的Gnielinski[13]經(jīng)驗(yàn)公式以及Petukhov[14]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果如圖4、圖5 所示，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，努塞爾數(shù)Nu 的實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)值的偏差 在-7.81%～6.49%；阻力系數(shù)f 的實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)值的偏差在-7.11%～0.17%。

其中Gnielinski 經(jīng)驗(yàn)公式為式（10）。

Petukhov 經(jīng)驗(yàn)公式為式（11）。

2.3 傳熱對(duì)比結(jié)果與分析

內(nèi)置3 種不同轉(zhuǎn)子換熱管以及光管的努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化如圖6 所示。對(duì)于光管以及裝有轉(zhuǎn)子的換熱管而言，隨著雷諾數(shù)的增加，管內(nèi)流體的湍動(dòng)程度增加，增強(qiáng)了管壁流體與中心流體的互換作用，從而使努塞爾數(shù)相應(yīng)的提升。內(nèi)置S=0 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)較同一雷諾數(shù)下光管的努塞爾數(shù)高出3 倍左右，說(shuō)明組合轉(zhuǎn)子增強(qiáng)了換熱管內(nèi)流體的切向以及徑向速度，并且強(qiáng)化了管壁處流體與中心流體間的質(zhì)量及熱量交換。

圖4 光管Nu 測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比

圖5 光管f 測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比圖

而對(duì)于內(nèi)置孔徑比S 為0、0.25、0.375 轉(zhuǎn)子換熱管而言，內(nèi)置S=0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管努塞爾數(shù)比內(nèi)置S=0 以及S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)分別高出9.5%和21%左右。分析其原因，大孔螺旋葉片轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不僅提高流體縱向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，還額外增加了橫向流動(dòng)，增強(qiáng)換熱管內(nèi)流體的紊流程度，減薄流體邊界層，強(qiáng)化了對(duì)流換熱過(guò)程。而小孔并未對(duì)螺旋葉片轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱性能起到積極的影響，分析原因?yàn)?，由于孔徑較小，液體切向流過(guò)小孔時(shí)，還未來(lái)得及改變方向就已經(jīng)通過(guò)小孔，不能產(chǎn)生有效的橫向流；而且液體充滿小孔的體積，使用于換熱的液體體積變少，故其傳熱性能有所降低。

2.4 阻力對(duì)比結(jié)果與分析

圖6 組合轉(zhuǎn)子以及光管的Nu 數(shù)

圖7 組合轉(zhuǎn)子以及光管的阻力系數(shù)

內(nèi)置3 種不同轉(zhuǎn)子換熱管以及光管的阻力系數(shù)變化曲線如圖7 所示。由圖7 可得，內(nèi)置S=0 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)是光管的2 倍左右，分析其原因，加裝轉(zhuǎn)子減小了換熱管的流通面積，并且流體推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)消耗了流體的能量，從而使加裝轉(zhuǎn)子換熱管阻力變大。

而對(duì)于轉(zhuǎn)子換熱管而言，內(nèi)置S=0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)比其他兩種轉(zhuǎn)子管高出9%左右。內(nèi)置S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)與內(nèi)置S=0 螺旋葉片換熱管的阻力系數(shù)相當(dāng)。分析其原因，開(kāi)大孔后，轉(zhuǎn)子的擾動(dòng)增加了液體橫向流動(dòng)，使液體的流動(dòng)路徑增加；并且大孔對(duì)流過(guò)轉(zhuǎn)子葉片的流體起到切斷再混合的作用，產(chǎn)生一定的漩渦，從而使內(nèi)置S=0.375 轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)較大。而小孔轉(zhuǎn)子，未能使液體產(chǎn)生有效的橫向流，故其與內(nèi)置未開(kāi)孔轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)相當(dāng)。

2.5 組合轉(zhuǎn)子綜合性能評(píng)價(jià)因子

為了綜合評(píng)價(jià)內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管的綜合強(qiáng)化傳熱性能，引入工程上普遍使用的綜合評(píng)價(jià)因子PEC，其計(jì)算式為式（12），式中Nu 和f 為裝有組合轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)，Nu0和f0為光管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)[15]。

圖8 為內(nèi)置3 種不同轉(zhuǎn)子換熱管的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（PEC）曲線圖。由圖8 可以看出，內(nèi)置3 種不同轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 都大于1.5，說(shuō)明3 種轉(zhuǎn)子都具有強(qiáng)化傳熱效果，內(nèi)置S=0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 最大，內(nèi)置S=0 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 次之，而內(nèi)置S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 最差。因此綜合考慮傳熱以及阻力兩方面因素，轉(zhuǎn)子開(kāi)有大孔對(duì)其綜合性能是有益的，而開(kāi)孔尺寸較小時(shí)反而會(huì)減弱轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱綜合性能。

圖8 組合轉(zhuǎn)子以及光管綜合性能

3 結(jié) 論

以60%的甘油水溶液為管程介質(zhì)，在雷諾數(shù)范圍為1600～3000 下對(duì)換熱管內(nèi)置S 為0、0.25 及0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱性能與阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明。

（1）內(nèi)置S=0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管努賽爾數(shù)比內(nèi)置S=0 以及S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)分別高出9.5%和21%左右，阻力系數(shù)高出9%左右；而內(nèi)置S=0 以及S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的阻力系數(shù)相當(dāng)。

（2）內(nèi)置S=0.375 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC最大，內(nèi)置S=0 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 次之，而內(nèi)置S=0.25 螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的PEC 最差，說(shuō)明轉(zhuǎn)子開(kāi)有大孔對(duì)其綜合性能是有益的，而開(kāi)孔尺寸較小時(shí)反而會(huì)減弱轉(zhuǎn)子的強(qiáng)化傳熱綜合性能。

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