換熱管內(nèi)插組合扭帶強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究*

劉宜仔，林清宇，馮振飛，何榮偉，朱 禮

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人類對能源需求不斷地提高。從1950年到現(xiàn)在，地球?qū)δ茉吹男枨笠呀?jīng)增長了2倍。據(jù)此，現(xiàn)在每年消耗的能量相當(dāng)于100億t石油[1]。研究分析顯示，各種能源的利用中，有80%需要通過熱量的傳遞與轉(zhuǎn)化，因此傳熱過程的強(qiáng)化技術(shù)能有效地提高能源的利用效率[2]。

換熱管內(nèi)插入扭帶作為一種內(nèi)插件式強(qiáng)化傳熱技術(shù)已在國內(nèi)外得到廣泛研究[3-6]。扭帶以成本低、制作工藝簡單、效果良好、特別適合舊設(shè)備的改造，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線防垢除垢而受到廣泛關(guān)注。近年來，扭帶技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在2個(gè)方面，一是可以實(shí)現(xiàn)換熱器在線除垢、抑垢的旋轉(zhuǎn)扭帶清洗技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用，二是研究如何在最經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)功率下，達(dá)到改造換熱設(shè)備時(shí)期望的傳熱效率提高率[7]。作者在原有光滑扭帶的基礎(chǔ)上開圓孔，同時(shí)使扭帶在不同位置正交交替錯(cuò)開，研究正交交替錯(cuò)開與開孔的組合型扭帶插入換熱管內(nèi)的阻力特性和傳熱特性，分析其強(qiáng)化傳熱的效果，為其應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程示意圖

換熱器管程流通工質(zhì)為常溫冷水，殼程流通工質(zhì)為飽和水蒸氣。換熱管采用D42 mm×2.5 mm規(guī)格的無縫鋼管，有效長度為3 000 mm。為了在實(shí)驗(yàn)過程中減少熱量損失，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)時(shí)在殼程的外表面包裹一層約50 mm 厚度的玻璃纖維保溫層。冷水的流量采用IFM4080K的電磁流量計(jì)測量；換熱管進(jìn)出口水溫采用TP3001電子溫度計(jì)測量；整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的壓降通過U型管水銀壓差計(jì)測量；殼程飽和水蒸氣的壓力由壓力表測量；換熱管內(nèi)插入自旋扭帶的轉(zhuǎn)速采用SZG-441B手持式轉(zhuǎn)速測量儀測量。

實(shí)驗(yàn)中，水泵將儲(chǔ)水槽中的冷水輸入管道，冷水依次流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥和電磁流量計(jì)，通過一段上行管道使得冷水流動(dòng)穩(wěn)定后流入內(nèi)插有扭帶的下行立式換熱管，最后經(jīng)過一段倒U型狀的穩(wěn)壓管排出管道；另一方面，離心泵將另一儲(chǔ)水槽中的自來水輸入DZF電蒸氣發(fā)生器中加熱產(chǎn)生飽和水蒸氣，飽和水蒸氣通過包裹有保溫層的管道進(jìn)入殼程給管程內(nèi)的冷卻水換熱，最后一并與管程內(nèi)被加熱的冷卻水經(jīng)過穩(wěn)壓管排出管道。

1.2 組合扭帶結(jié)構(gòu)與參數(shù)

組合扭帶結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 扭帶結(jié)構(gòu)示意圖

扭帶結(jié)構(gòu)形式主要為正交交替錯(cuò)開與開圓孔組合一起的組合型扭帶，制作的材料選擇易于加工成型且密度小、耐腐蝕良好的鋁條。鋁條的厚度為0.5 mm，成型后的扭帶長度為3 000 mm。為加工方便，整條扭帶均分為3段加工完成，然后使用自制的連接件連接。其型號及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 組合扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 壓降分析

流體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力損失通常表現(xiàn)為換熱管進(jìn)出口的壓降。為了直觀、清晰反映并分析內(nèi)插不同組合扭帶換熱管壓降的變化關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，得出相關(guān)壓降Δp與流體流速u的關(guān)系圖，見圖3～圖5。

內(nèi)插入不同扭帶換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖3。

由圖3可知，在相同流速下，扭帶的扭率越大，壓降反而減小。分析原因，扭帶的扭率越大，扭帶螺旋的程度越小，螺旋升角也變小，扭帶造成流體軸向流通的阻力越小，整體的壓降也變小。但是，從圖3中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著扭帶扭率的增大，其壓降減小并不是很明顯，最大流速時(shí)20-6-2-H扭帶的壓降相對于20-5-2-H扭帶的壓降僅減小2.4%，這說明扭帶的扭率變化對換熱管的壓降影響并不是很明顯。

u/(m·s-1)圖3 不同扭率扭帶的Δp-u關(guān)系圖

分別插入組合扭帶和開孔扭帶的換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖4。

由圖4可知，在相同流速下，20-6-2-H組合扭帶的壓降比20-6-H開孔扭帶壓降要大，最大流速下壓降提高了9.7%。相比于開孔扭帶，組合扭帶在結(jié)構(gòu)上將扭帶按一定錯(cuò)開率進(jìn)行了正交錯(cuò)開，扭帶的正交錯(cuò)開對換熱管的壓降的影響主要有2方面，一方面是扭帶錯(cuò)開處的橫截面會(huì)直接阻礙流體的流通而造成的部分阻力損失；另一方面是扭帶的錯(cuò)開使得流體在軸向方向的流動(dòng)方向發(fā)生改變而產(chǎn)生阻力損失。這2方面的阻力損失疊加，最終使得內(nèi)插組合扭帶換熱管的壓降遠(yuǎn)大于內(nèi)插開孔扭帶換熱管的壓降，說明了扭帶的正交錯(cuò)開對換熱管的壓降影響顯著。

u/(m·s-1)圖4 組合扭帶、開孔扭帶的Δp-u關(guān)系圖

內(nèi)插入不同錯(cuò)開率組合型扭帶換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖5。

u/(m·s-1)圖5 不同錯(cuò)開率扭帶的Δp-u關(guān)系圖

由圖5可知，在相同流速下，換熱管壓降隨著扭帶錯(cuò)開率的減小而增大。這是因?yàn)榕У目傞L度相同，錯(cuò)開率越小，說明扭帶錯(cuò)開的段數(shù)越多，流體在流動(dòng)過程中流動(dòng)方向的改變越頻繁，導(dǎo)致流體阻力損失增大，體現(xiàn)為換熱管的壓降增大。換言之，扭帶錯(cuò)開段數(shù)越多，流體流通的阻力也越大。在流速最大時(shí)，20-5-2-H扭帶換熱管的壓降比20-5-4-H扭帶換熱管的壓降提高5.0%，說明扭帶的錯(cuò)開率是影響內(nèi)插扭帶換熱管壓降的主要因素之一，這也進(jìn)一步說明了扭帶的正交錯(cuò)開對換熱管的壓降影響顯著。

綜合圖3～圖5，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著流體流速u的增大，換熱管壓降Δp的變化近似呈拋物線形式增大，插入扭帶的換熱管壓降大于空管的壓降。但是，流速較小時(shí)，扭帶管以及空管之間的壓降差距不是很明顯，而在大流速條件下，內(nèi)插扭帶換熱管的壓降明顯比空管的壓降大，其變化速度也大。分析主要的原因可知：小流速下的換熱管雖然由于扭帶的插入減小了流體的流通面積，使得壓降有一定的增大，但扭帶沒有轉(zhuǎn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)速度較小，此時(shí)流體的阻力損失主要取決于換熱管內(nèi)壁面的粗糙度，對于空管或者扭帶管，換熱管內(nèi)壁面的粗糙度是相同的，所以其壓降的差距較?。划?dāng)流速增大時(shí)，扭帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不斷提高，使得流體因扭帶的快速轉(zhuǎn)動(dòng)造成旋轉(zhuǎn)流和二次流而產(chǎn)生的阻力損失也不斷增大，導(dǎo)致整體的壓降有了明顯的提高，且增大的速度也比空管快，而不同型號的扭帶管之間的壓降差距主要體現(xiàn)為扭帶結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)與壓降存在著必然的聯(lián)系，摩擦系數(shù)是壓降的無量綱轉(zhuǎn)化。各扭帶管的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖見圖6。

Re圖6 扭帶的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系圖

從圖6中可以知道，摩擦系數(shù)f隨著雷諾數(shù)Re的增大而減小，開孔扭帶的摩擦系數(shù)最小，錯(cuò)開率小的扭帶摩擦系數(shù)比錯(cuò)開率大的摩擦系數(shù)大，這說明了扭帶的正交錯(cuò)開對摩擦系數(shù)有較大的影響，組合扭帶因?yàn)榕У恼诲e(cuò)開使得摩擦系數(shù)相比開孔扭帶平均提高約10.5%。相對而言，扭帶的錯(cuò)開率對摩擦系數(shù)的影響又比扭率的影響要顯著，這跟壓降的變化規(guī)律是一致的。

2.3 傳熱特性分析

努塞爾數(shù)是表示對流換熱強(qiáng)烈程度的一個(gè)準(zhǔn)數(shù)，反映對流使給熱系數(shù)增大的倍數(shù)。采用Wilson圖解法[8]并利用Matlab編程計(jì)算得出不同雷諾數(shù)下相應(yīng)型號扭帶管的努塞爾數(shù)。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制得到的換熱管努塞爾數(shù)Nu與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線圖見圖7。

從圖7中很明顯地看到，隨著雷諾數(shù)的增大，換熱管努塞爾數(shù)均增大；在相同雷諾數(shù)下，所有扭帶管的努塞爾數(shù)都明顯大于空管，且組合扭帶管的努塞爾數(shù)均大于開孔扭帶管，但對于各扭帶管之間的比較而言，其努塞爾數(shù)相對提高率并不明顯。數(shù)據(jù)分析顯示，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，與空管對比，扭帶管的努塞爾數(shù)平均提高13.01%～20.38%；與開孔扭帶管對比，組合扭帶管的努塞爾數(shù)平均提高0.67%～6.52%。

Re圖7 努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖

3 傳熱綜合性能評價(jià)

根據(jù)上述對換熱管阻力特性和傳熱特性的分析可知，換熱管內(nèi)插入不同型號的扭帶后，其努塞爾數(shù)都得到了不同程度的提高，但是插入的扭帶作用也同時(shí)增大了流體的流動(dòng)阻力。因此單憑努塞爾數(shù)的提高來評價(jià)換熱管傳熱性能的優(yōu)劣與強(qiáng)化，明顯不符合當(dāng)前強(qiáng)化傳熱技術(shù)的要求。綜合性能評價(jià)因子的提出很好地解決了這個(gè)問題。采用綜合性能評價(jià)因子的方法，綜合考慮努塞爾數(shù)以及流動(dòng)阻力等因素，對換熱管的傳熱性能進(jìn)行綜合評估，是目前判斷換熱管傳熱強(qiáng)化的有效方法之一。綜合性能評價(jià)因子的評價(jià)準(zhǔn)則公式為[9]。

式中：Nu0、f0為空管對應(yīng)的努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)。

根據(jù)綜合性能評價(jià)因子的評價(jià)準(zhǔn)則，計(jì)算各扭帶換熱管的φ值，并繪制評價(jià)因子與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖，見圖8。

由圖8可知，換熱管內(nèi)插入扭帶的傳熱綜合性能評價(jià)因子φ都大于1，φ值最高達(dá)到1.16，組合扭帶管的φ值都明顯高于20-6-H的開孔扭帶管。這說明了換熱管內(nèi)插入扭帶后，傳熱性能確實(shí)得到了強(qiáng)化，并且組合扭帶對換熱管的傳熱強(qiáng)化效果明顯高于開孔扭帶。從總體上看，20-5-4-H組合扭帶管以及20-6-2-H組合扭帶管的φ值相對最大，傳熱綜合性能相對最好。從圖8中還可以看出，傳熱綜合性能評價(jià)因子φ值隨著雷諾數(shù)的增大逐漸趨近于1。這是因?yàn)榱黧w隨著雷諾數(shù)的增大，其湍動(dòng)程度逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定的湍動(dòng)程度時(shí)，扭帶對管內(nèi)流體的湍動(dòng)擾流作用相對于流體本身而言并不明顯，作用很小，故而傳熱強(qiáng)化效果很小，表現(xiàn)為評價(jià)因子φ值趨近于1。這也說明了換熱管內(nèi)插入組合扭帶的強(qiáng)化傳熱較為適用于小雷諾數(shù)工況下的流體，對雷諾數(shù)很大的工況流體傳熱強(qiáng)化效果并不明顯。

Re圖8 傳熱綜合性能評價(jià)因子與雷諾數(shù)的關(guān)系圖

綜上所述，在光滑扭帶的基礎(chǔ)上中間開圓孔，同時(shí)使扭帶在不同位置正交交替錯(cuò)開，使得流體流經(jīng)圓孔處時(shí)產(chǎn)生漩渦，流體流經(jīng)錯(cuò)開位置時(shí)流動(dòng)方向發(fā)生改變，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)流體層流邊界層和熱邊界層的破壞程度大大提高，流體混合程度增大，從而增強(qiáng)了換熱效果。

4 結(jié) 論

作者對換熱管內(nèi)插入組合扭帶強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與開孔扭帶管和空管進(jìn)行比較，分析了組合扭帶管、開孔扭帶管以及空管的壓降Δp、摩擦系數(shù)f和努塞爾數(shù)Nu的變化關(guān)系，同時(shí)采用傳熱綜合性能評價(jià)因子的方法對換熱管內(nèi)插入組合式扭帶和開孔扭帶進(jìn)行強(qiáng)化傳熱綜合性能評估，得出以下結(jié)論。

(1) 換熱管壓降Δp隨流體流速u的增大近似呈拋物線形式增大，扭帶管壓降大于空管的壓降，組合扭帶管壓降大于開孔扭帶管的壓降；組合扭帶管壓降隨著扭帶扭率的增大而減小，隨著扭帶錯(cuò)開率的減小而增大，但扭率對壓降的影響并不明顯，錯(cuò)開率是影響壓降的主要因素；

(2) 換熱管的摩擦系數(shù)f隨流體雷諾數(shù)Re的增大而減小，且錯(cuò)開率越小，摩擦系數(shù)越大；組合扭帶管的摩擦系數(shù)比開孔扭帶管平均提高10.5%；

(3) 換熱管努塞爾數(shù)Nu隨流體雷諾數(shù)Re的增大而增大。扭帶管的努塞爾數(shù)比空管平均提高13.01%～20.38%，組合扭帶管的努塞爾數(shù)比開孔扭帶平均提高了6.52%；

(4) 換熱管內(nèi)插入扭帶的傳熱綜合性能評價(jià)因子φ都大于1，φ值最高達(dá)到1.16，組合扭帶管的φ值都明顯高于20-6-H的開孔扭帶管。這說明了換熱管內(nèi)插入扭帶后，傳熱性能確實(shí)得到了強(qiáng)化，并且組合扭帶對換熱管的傳熱強(qiáng)化效果明顯高于開孔扭帶；

(5) 總體上，20-5-4-H組合扭帶管以及20-6-2-H組合扭帶管的φ值相對最大，傳熱綜合性能相對最好。傳熱綜合性能評價(jià)因子φ值隨著雷諾數(shù)的增大逐漸趨近于1，說明了換熱管內(nèi)插入組合扭帶的強(qiáng)化傳熱較為適用于小雷諾數(shù)工況下的流體，對雷諾數(shù)很大的工況流體傳熱強(qiáng)化效果并不明顯。

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