螺旋盤管式水-水換熱器傳熱與流動特性實驗研究

范 ，，，

(上海理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院,上海 200093)

螺旋盤管換熱器是基于傳統(tǒng)管式換熱器而研發(fā)出來的高效換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、制作簡單、占地面積小等特點，目前在熱力、制冷與空調(diào)、化工、石油及核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。流體在螺旋管道內(nèi)向前流動的過程中持續(xù)改變方向，由于受到離心力的作用，在垂直于軸向主流方向的截面上產(chǎn)生二次環(huán)流，二次環(huán)流相對于主流在量級上雖然較小，但由于二次環(huán)流和主流的疊加作用，使得流體在管內(nèi)沿著管道軸向螺旋運動，增強(qiáng)了流體的混合，從而強(qiáng)化了換熱[3-5]。同時，彈簧狀結(jié)構(gòu)避免了溫差應(yīng)力的影響，但也為其帶來了計算的復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對其傳熱與流動特性開展了大量卓有成效的研究，并取得了豐碩的研究成果，但還沒有得到普遍適用的經(jīng)驗公式[6-7]。

針對螺旋盤管結(jié)構(gòu)上強(qiáng)化換熱方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要從換熱器幾何參數(shù)(如管徑、螺距、盤徑、傾角等)[8-12]、盤管形式(如方管、槽管、螺紋管等)[13-17]、插入物(如螺旋線圈、擋板、空筒等)[18-20]上取得強(qiáng)化傳熱的效果。許多研究表明在流動阻力增加較小的情況下，運用強(qiáng)化傳熱手段能取得較大換熱性能的提升。

徐洪濤[21]利用SolidWorks中的流體插件CosmosFloworks研究了螺旋管道截面形狀和放置方式對其換熱效率的影響，模擬結(jié)果表明，不論是等截面還是在等換熱面流量的前提下，矩形截面螺旋管道換熱效率較圓形截面要高，螺旋管道傾角放置時換熱效率最大，水平時次之，垂直時最差。淦吉昌[13]利用Fluent軟件對螺紋螺旋管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱與流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究及場協(xié)同分析，得出螺紋螺旋管對低普朗特數(shù)的流體介質(zhì)具有更優(yōu)越的強(qiáng)化傳熱效果。Fernández-Seara José等[9]通過數(shù)值模擬與實驗驗證發(fā)現(xiàn)增加盤管直徑引起努塞爾數(shù)增加，并獲得較大的傳熱速率與壓降比。劉重裕等[18]在傳統(tǒng)螺旋盤管換熱器殼體中央增設(shè)了一個圓柱空筒，對其表面換熱系數(shù)進(jìn)行了實驗測定，結(jié)果表明，在其他計算參數(shù)基本不變的情況下，增設(shè)空筒后的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以提高1.69倍。Abdulhassan A等[22]對比研究了光管與內(nèi)部有翅片的螺旋盤管在不同螺距下的換熱性能，實驗表明較小螺距與內(nèi)部翅片的雙重作用下，狄恩數(shù)為723時傳熱系數(shù)能夠增加16%。Panahi D和Zamzamian K[20]在螺旋盤管中插入螺旋線圈作為擾流器研究其傳熱與壓降特性，實驗結(jié)果表明擾流器能有效增強(qiáng)螺旋盤管換熱器的傳熱率，同時由于擾流器占據(jù)了管內(nèi)一定的空間致使明顯增加了額外的壓降。Andrzejczyk R和Muszynski T[23]研究了在殼側(cè)插入擋板結(jié)構(gòu)對被動強(qiáng)化傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)該使用合適結(jié)構(gòu)的擋板能夠強(qiáng)化傳熱，努塞爾數(shù)較參考值增加了兩倍，而流動阻力幾乎不發(fā)生變化。

上述文獻(xiàn)為螺旋盤管換熱器的改進(jìn)與優(yōu)化提供了一定的依據(jù)。本文涉及一種新型的螺旋盤管換熱器，對其進(jìn)行水-水換熱實驗研究，得出換熱特性及阻力特性，以期為螺旋盤管換熱器的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 實驗裝置與系統(tǒng)

1.1 換熱器結(jié)構(gòu)

新型螺旋盤管換熱器如圖1所示，主要包括換熱螺旋盤管11，換熱器殼體9，殼蓋8，圓筒隔板10，冷流體進(jìn)口4、出口2，熱流體進(jìn)口5、出口3，排污口12。其中，換熱器的主體，包括殼體、圓筒隔板和換熱管材質(zhì)，均為不銹鋼304 L；殼蓋8與圓筒隔板10通過焊接連接在一起；換熱管為圓管卷制而成，形成內(nèi)外兩圈形狀的螺旋盤管，螺旋盤管進(jìn)、出口分別與殼蓋上的熱流體進(jìn)口5、出口3焊接連接，且螺旋盤管內(nèi)外圈恰好被圓筒隔板所間隔開來；殼蓋8、圓筒隔板10和螺旋盤管11形成的整體結(jié)構(gòu)由螺栓與換熱器殼體連接，中間有密封墊，防止流體外泄，且螺旋盤管與殼體排污口12處的端面需留有足夠的間隔，以便管外流體能夠順利流通；螺旋盤管管內(nèi)作為熱流體通道，管外和圓筒隔板及殼體形成冷流體通道。螺旋盤管換熱器的關(guān)鍵參數(shù)見表1。需要特別說明的是，殼程平均通流面積的計算方法：殼程為2個流程，第1流程通道為圓形通道，通道內(nèi)徑為148 mm，橫截面積0.017 2 m2，螺旋盤管占據(jù)通道面積0.007 18 m2，實際通流面積A為0.010 02 m2；第2流程通道為圓環(huán)形通道，通道內(nèi)環(huán)直徑152 mm，通道外環(huán)直徑207 mm，橫截面積0.015 5 m2，管子占據(jù)通道面積0.010 77 m2，實際通流面積B為0.004 73 m2；殼程平均通流面積為實際通流面積A和B的平均值0.007 37 m2。

表1 螺旋盤管換熱器關(guān)鍵參數(shù)

圖1 螺旋盤管換熱器結(jié)構(gòu)圖

熱流體從進(jìn)口5進(jìn)入外圈螺旋盤管管內(nèi)，在管內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)流動，流至內(nèi)圈，經(jīng)出口3流出換熱器；冷流體從進(jìn)口4流入圓筒隔板內(nèi)的通道，流至排污口12處的端面后折返，進(jìn)入圓筒隔板與換熱器殼體形成的通道，經(jīng)出口2流出換熱器；冷熱流體形成總體逆向流動。

圖2 實驗系統(tǒng)

1.2 實驗系統(tǒng)

螺旋盤管換熱器傳熱與流動特性研究實驗系統(tǒng)如圖2所示，進(jìn)行換熱器水-水換熱實驗。冷流體使用小型冷卻塔中的冷卻水，而熱流體使用熱水箱中的熱水，實驗過程中對冷、熱水進(jìn)行恒溫控制，冷、熱水流量使用閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度采用上海大華千野產(chǎn)品Pt100熱電阻溫度傳感器測量，精度為±0.15℃；流量采用上海光華儀表廠LDG-S型電磁流量傳感器測量，與該廠生產(chǎn)的流量轉(zhuǎn)換器配套使用，轉(zhuǎn)換器基本誤差為信號量程的±0.2%，量程0～4.5 m3/h，所以測量誤差≤0.009 m3/h；換熱器的各個進(jìn)、出口管道上裝有壓力傳感器以測量流體進(jìn)出試件的壓差，從而獲得流體的流動阻力，壓力傳感器為西安西儀公司生產(chǎn)的YB-250B壓力傳感器，精度等級0.25，量程0～2.5 MPa，誤差為調(diào)校量程的±0.2%，壓差變送器為日本橫河公司生產(chǎn)的EJA-110A壓差變送器，精度等級0.35，量程0～3.5 MPa，誤差為調(diào)校量程的±0.35%。實驗時，保持某一側(cè)流速及進(jìn)口水溫不變，改變另一側(cè)的流速，得到一系列工況點。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)能量守恒，熱流體的放熱量等于冷流體的吸熱量。熱流體放熱量Φ1和冷流體吸熱量Φ2分別為

式中Φ1、Φ2——熱流體放熱量/W、冷流體吸熱量/W；

Cp1、Cp2——熱、冷流體比熱/J·(kg·℃)-1；

換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程為[24-25]

Φ=KAΔtm

(3)

式中Φ——換熱量/W，取Φ=(Φ1+Φ2)/2；

K——傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

A——傳熱面積，以螺旋盤管外表面積A0為基準(zhǔn)/m2；

ft——溫差修正系數(shù)，對于逆流換熱，該值取1.0；

管內(nèi)對流換熱系數(shù)由旺盛湍流的經(jīng)典公式計算為

如果管內(nèi)水為熱流體，則取n=0.3；如果管內(nèi)水為冷流體，則取n=0.4。

以螺旋盤管外表面積A0為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)K的熱阻方程式

可計算得到管外的對流換熱系數(shù)h0為

將管外的對流換熱系數(shù)擬合成準(zhǔn)則方程式

Nu=CRenPrm

(9)

式中 努塞爾數(shù)Nu=h0·d0/λf；

d0——盤管外徑/m；

di——螺旋盤管內(nèi)徑/m；

Ai——螺旋盤管內(nèi)表面積/m2；

Am——螺旋盤管平均換熱面積/m2；

λ——螺旋盤管管壁導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

hi——管內(nèi)對流換熱系數(shù)；

λf——流體導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

雷諾數(shù)Re=u·d0/ν；

u——流速/m·s-1；

ν——運動粘度/m2·s-1；

Pr——普朗特數(shù)，與溫度有關(guān)；

Ri——管內(nèi)污垢熱阻/(m2·℃)/W-1；

R0——管外污垢熱阻/(m2·℃)/W-1。

將阻力與速度的關(guān)系整理成如下的簡單計算關(guān)系式

ΔP=D·um

(10)

式中 ΔP——阻力/Pa；

D——系數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 換熱特性分析

螺旋盤管換熱器殼程冷流體水速控制為0.038 m/s時，改變管程熱水流速，得到傳熱系數(shù)隨熱水流速變化的關(guān)系；換熱器管程熱流體水速控制為0.48 m/s時，改變殼程冷水流速，得到傳熱系數(shù)隨冷水流速變化的關(guān)系。實驗過程中，冷水進(jìn)口溫度始終保持在45.0℃，熱水進(jìn)口溫度始終保持在70.0℃，每個工況進(jìn)行六組實驗，傳熱面積以螺旋盤管外表面積計，計算得到相關(guān)傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)隨冷、熱水流速變化的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 螺旋盤管傳熱系數(shù)隨熱水流速的變化(冷水流速為0.038 m/s)

圖4 螺旋盤管傳熱系數(shù)隨冷水流速的變化(熱水流速為0.48 m/s)

圖4的冷水流速范圍在0.03～0.07 m/s之間，盡管數(shù)值比較低，但這是管前流速，管間流速會大得多。

從圖3、圖4可以看出，無論是增加熱水流速還是冷水流速，傳熱系數(shù)都隨冷、熱水流速的增加而增加；但熱水流速約在1 m/s后、冷水流速約在0.055 m/s后，傳熱系數(shù)增加趨緩。因此，實際運行工況固定在這兩個流速是比較經(jīng)濟(jì)的流速。

在0.035～0.07 m/s范圍內(nèi)，計算管外對流換熱系數(shù)，根據(jù)式(9)擬合出管外流體的對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式(11)。管外對流換熱系數(shù)與冷水流速的關(guān)系如圖5所示。

Nu=1.212Re0.406Pr1/3

(11)

圖5 管外對流換熱系數(shù)與冷水流速的關(guān)系(熱水流速為0.48 m/s)

圖6給出了在冷水流速分別為0.060 3 m/s、0.045 2 m/s、0.037 7 m/s、0.030 2 m/s時，傳熱系數(shù)隨熱水流速的變化。從圖中可以看出，同一冷水流速下，對流換熱系數(shù)隨熱水流速的增加而增加；另外在相同的熱水流速下，熱水流速越大，冷水流速對傳熱系數(shù)的影響越明顯。

圖6 系列工況的傳熱系數(shù)

為了分析傳熱計算的誤差，根據(jù)式(1)～式(5)計算得到的為實驗的傳熱系數(shù)，根據(jù)式(6)～式(7)計算得到的為計算的傳熱系數(shù)。本實驗共有36組工況，216組實驗數(shù)據(jù)，分析傳熱系數(shù)的實驗值與實驗值之間的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差為5.6%，符合工程計算要求。

3.2 阻力特性分析

換熱器的性能除了體現(xiàn)在換熱性能，還體現(xiàn)在流體流經(jīng)換熱器的壓力損失上。表2給出了在一定的流速范圍內(nèi)，換熱器冷、熱流體側(cè)壓降與水速的關(guān)系。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合式(10)擬合得到冷、熱流體側(cè)壓降與水速的計算關(guān)系式。

表2 流動阻力(壓降)數(shù)據(jù)

熱流體側(cè)(即管內(nèi)流程)，適用范圍為0.420～1.660 m/s

ΔP=1 6010·u1.385

(12)

冷流體側(cè)(即管外殼程)，適用范圍為0.034～0.068 m/s

ΔP=46 630·u0.761

(13)

4 結(jié)論

(1)螺旋盤管式水-水換熱器的傳熱系數(shù)隨冷、熱水流速的增加而增加。熱水流速約在1 m/s后、冷水流速約在0.055 m/s后，傳熱系數(shù)增加趨緩。實際運行工況固定在這兩個流速是比較經(jīng)濟(jì)的流速。

(2)在0.035～0.07 m/s范圍內(nèi)，實驗得到擬合的管外流體的對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式：Nu=1.212Re0.406Pr1/3。這為得到更為普遍適用于螺旋盤管換熱器的經(jīng)驗公式提供了參考與依據(jù)。

(3)實驗得到的系列工況的傳熱系數(shù)圖線以及管程和殼程的流動阻力關(guān)聯(lián)式為產(chǎn)品設(shè)計提供了依據(jù)。