小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器傳熱性能強化研究

任國瑜 任旭 李健 亢玉紅 高勇 李霄

摘? ? ? 要： 實驗研究了安裝有小方槽內(nèi)構(gòu)件的管式換熱器傳熱性能，結(jié)果表明：管內(nèi)插入小方槽擾流內(nèi)構(gòu)件時，換熱器傳熱性能隨Re和內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N的增加而增大;當N=7時，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu增加不明顯。在實驗研究范圍內(nèi)，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu分別是空管換熱器的1.51～2.55倍。Re在1.9×104時，小方槽內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N為6時，換熱器綜合性能評價因子η達到最大1.60，說明小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器綜合強化傳熱性能較好。這可能與小方槽內(nèi)構(gòu)件的空間效應(yīng)有關(guān)。因此，小方槽結(jié)構(gòu)可引入插入物內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，從而強化換熱器的傳熱性能。

關(guān)? 鍵? 詞：管式換熱器;小方槽內(nèi)構(gòu)件;傳熱性能強化;綜合性能評價因子η

中圖分類號：TQ021.3? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）09-2087-04

Abstract： Heat transfer characteristics of the tube heat exchangers （THE） with small slot inserts were studied. Experimental results showed that Nu of the heat exchanger with small slot inserts increased with the increase of Re and N. When N=7， Nu of heat exchanger with small slot inserts did not increase significantly. Within the range of experimental data， the Nu of the heat exchanger with small slot inserts was 1.51～2.55 times that of the plain tube heat exchanger. Re =1.9 ×104， the optimal group number was 6，the comprehensive performance evaluation factors η of the heat exchanger with small slot inserts was 1.60， indicating that the heat exchanger with small slot inserts had the heat transfer performance better， which may be related to the spatial effect of the small slot. Therefore， the small slot structure may be introduced into the design of insert structure， so as to enhance the heat transfer performance of heat exchanger.

Key words： Tube heat exchanger;Small slot inserts; Heat transfer enhancement; Comprehensive performance evaluation factor η

在化工企業(yè)的設(shè)備中，換熱設(shè)備幾乎占了三分之一，其中應(yīng)用最廣泛的換熱器是管式換熱器[1，2]。因此，強化管式換熱器傳熱性能對技術(shù)改進和節(jié)能減排具有重要的意義。關(guān)于在換熱器換熱管內(nèi)加入插入物以提高管式換熱器傳熱性能的研究較多，它的最大優(yōu)點為適合對舊換熱器進行改造，并且加工方便，從而大大節(jié)省投資提高傳熱性能。尤其是插入物有助于清除管內(nèi)污垢降低污垢熱阻。同時，插入物增強了管內(nèi)流體的對流傳熱系數(shù)，這是其他強化換熱技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點[3，4]。目前，管內(nèi)插入物的類型有很多，常用的插入物結(jié)構(gòu)有扁鐵[5]、環(huán)片條、靜態(tài)混合器等[6]、圓錐環(huán)狀[7]、百葉窗式條狀內(nèi)構(gòu)件[8]、螺旋線[9]、半扭帶和扭帶[10]等多種形式。這些內(nèi)構(gòu)件可以歸納為兩類[11]：連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件如扭帶、繞花絲螺旋線等和不連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件如靜態(tài)混合器、扁鐵等。對于連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降較大。吳爽等[12]研究了多種管內(nèi)自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件的阻力特性和自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能，自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱系數(shù)是空管換熱器的1.03～1.43倍，阻力系數(shù)是空管換熱器的2.52～5.46倍。在工業(yè)上應(yīng)用上，國內(nèi)一些石化企業(yè)如青島石化的常減壓設(shè)備使用管內(nèi)插入扭帶擾流子插入物強化傳熱，管內(nèi)傳熱系數(shù)可提高2～3倍，但是對管壁有一定程度的磨損[13，14]。楊品蓮等[5]在高溫換熱器中插入麻花鐵、扁鐵內(nèi)構(gòu)件，麻花鐵內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱系數(shù)是空管換熱器的1.62～1.8倍;扁鋼內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu增加了20%～30%。

在前期研究中，本人設(shè)計了小叉內(nèi)構(gòu)件、平板內(nèi)構(gòu)件以及45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器，對內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降性能進行研究[15]，這些內(nèi)構(gòu)件通過中央固定桿固定在管內(nèi)，內(nèi)構(gòu)件的外側(cè)靠近壁面但是不接觸壁面，這樣既可以起到擾動的效果減薄邊界層厚度，又可避免額外增加換熱面產(chǎn)生新的熱邊界層。同時，起到清除污垢的作用。這些類型的內(nèi)構(gòu)件都屬于不連續(xù)型擾流內(nèi)構(gòu)件，在一定范圍內(nèi)換熱器的壓降增加不顯著。綜合以上幾方面因素，本人前期[9]對小叉內(nèi)構(gòu)件、平板內(nèi)構(gòu)件以及45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器有效強化管式換熱器總傳熱系數(shù)K。研究發(fā)現(xiàn)45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱性能較好，結(jié)合45°平板結(jié)構(gòu)，本人又設(shè)計了小方槽內(nèi)構(gòu)件。本文對小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能進行了研究。

1? 實驗流程與內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)

1.1? 實驗流程

實驗流程與文獻[15]相同，空氣經(jīng)風機送入，通過空氣流量計計量后進入換熱器內(nèi)管，裝有冷空氣的內(nèi)管與環(huán)隙中熱的水蒸氣進行換熱，由于管內(nèi)走冷空氣，環(huán)隙走熱的水蒸氣，冷空氣的對流傳熱系數(shù)遠小于水蒸氣的對流傳熱系數(shù)，故內(nèi)構(gòu)件安裝在管內(nèi)可有效的提高換熱器的傳熱性能。換熱詳細流程不再贅述。

1.2? 擾流內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及安裝

本文研究的內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)材質(zhì)為銅板，小方槽內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)及安裝如圖1所示。

小方槽通過螺紋桿固定在內(nèi)管中央，如圖1所示。實驗中，第一組擾流內(nèi)構(gòu)件安裝在螺紋桿底端距入口測溫點13 cm處;然后組于組之間均布在螺紋桿上。小方槽的尺寸如下：小方槽的總長度14.5 mm;固定端的內(nèi)外分別為4.5和8 mm，遠離固定端處的長、寬、高均為6 mm;內(nèi)構(gòu)件厚度為0.7 mm。

2? 實驗結(jié)果與討論

實驗中改變空氣流速，測量管內(nèi)插入不同組數(shù)（N）小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的進出口壓降和溫度，得出小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器壓降Δp和努塞爾準數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。

2.1? 不同結(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件對換熱器傳熱和壓降的影響

文獻[16]中介紹了平板內(nèi)構(gòu)件和45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能和壓降，文獻[14]介紹了小叉內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降特性，三種類型內(nèi)構(gòu)件的長度是相同的，結(jié)構(gòu)不同。本文對小叉、45°平板和小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降和傳熱進行對比。

由圖2和圖3可以看出，三種結(jié)構(gòu)小叉、45°平板和小方槽內(nèi)構(gòu)件，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降較大，但是傳熱效果是最好的。次之是45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，小叉內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱性能最差。故本文對小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能強化進行研究。

2.2? 不同組數(shù)小方槽內(nèi)構(gòu)件對換熱器傳熱性能的影響

文獻[15]中的圖6介紹了小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降特性，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降隨組數(shù)的增加而繼續(xù)增加，當組數(shù)增加到7組，流速達到12 m/s（Re≈2.3×104），換熱器的壓降達到750 Pa，但未對小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能進行研究。因此，本文對不同組數(shù)小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能進行研究。

圖4和圖5分別是小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的努塞爾準數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re和內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N的變化規(guī)律。

由圖4可以看出，隨著Re和組數(shù)的增加，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能也在增加，當組數(shù)N增加到7組時，Nu增加緩慢。由圖5可以看出，選擇中高低三個Re，隨著組數(shù)N的增加，換熱器Nu增加。當組數(shù)N增加到7時，三個雷諾數(shù)下，換熱器Nu幾乎不再增加，因此，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)N為6組。

2.3? 綜合評價因子η與N的關(guān)系

參照文獻[16]知：

式中（1）中， Nu0、 f0分別為空管換熱器的努塞爾數(shù)和流體流動摩擦阻力系數(shù)。本文中f/f0 ≈p/p0[17]，在 Re =1.9×104 下，本文對小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器強化傳熱的綜合性能評價因子η與組數(shù)N的變化進行作圖。

由圖6可知，在Re=1.9×104下，小方槽換熱器綜合性能評價因子η均大于1，即小方槽換熱器可強化換熱器的綜合傳熱性能。當組數(shù)N為6組時小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器綜合評價因子η最大達到1.61。所以，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)是6組。由文獻[8]知，在相同雷諾數(shù)下，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的綜合性能評價因子大于45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，故小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的強化傳熱效果優(yōu)于45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，這可能是由于小方槽內(nèi)構(gòu)件的自由端的空間效應(yīng)優(yōu)于45°平板內(nèi)構(gòu)件，小方槽內(nèi)構(gòu)件的自由端突出的更顯著，自由端的長寬高分別為6 mm。

3? 結(jié) 論

（1）小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器傳熱性能優(yōu)于45°平板和小叉內(nèi)構(gòu)件管式換熱器，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu是空管換熱器的1.51～2.55倍。

（2）小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能隨Re和組數(shù)N的增加而增加，當組數(shù)增加到7組，小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器Nu幾乎不增加。

（3）在Re為1.9×104下，小方槽組數(shù)N為6組時，換熱器的綜合評價因子η達到最大1.61，即此時小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)N為6組。

符號說明：

Nu 努塞爾準數(shù)

Re 雷諾準數(shù)

K 總傳熱系數(shù)，W?m-2?℃-1

N 內(nèi)構(gòu)件組數(shù)

n 每組內(nèi)內(nèi)構(gòu)件個數(shù)

Δp 換熱器進出口壓降，Pa

η 換熱器綜合評價因子

THE Tube heat exchanger

參考文獻：

[1]張輪亭， 邱麗燦， 王臣. 管殼式換熱器強化傳熱進展[J]. 當代化工， 2014（11）：2322-2324.

[2]李躍春.化工生產(chǎn)必備設(shè)備換熱器的防腐蝕方法研究[J].化工管理，2019，508（01）：157-158.

[3]焦鳳，鄧先和，宋鵬云.插入物對新型換熱器性能的影響[J].石油學報，2015，31（3）：796-802.

[4]黃功浩.插入物強化管內(nèi)單相流體傳熱的研究[J].化工學報， 1983，34（1）： 23-25.

[5]楊品蓮， 錢頌文， 戴建軍 ，等.管內(nèi)片條插入物強化傳熱試驗及其性能比較[J].化工裝備技術(shù)， 2004， 25（3）： 19-22.

[6]Zheng Nianben， Liu Peng， Wang Xinting， et al. Numerical simulation and optimization of heat transfer enhancement in a heat exchanger tube fitted with vortex rod inserts[J]. Applied Thermal Engineering， 2017，123：471-484.

[7]Akpinar E K. Evaluation of heat transfer and exergy loss in a concentric double pipe exchanger equipped with helical wires[J]. Energy conversion and management， 2006， 47（18）： 3473-3486.

[8]Simes P C， Afonso B， Fernandes J， et al. Static mixers as heat exchangers in supercritical fluid extraction processes[J]. The Journal of Supercritical Fluids， 2008， 43（3）： 477-483.

[9]隋海明，黃渭堂.管內(nèi)插入雙螺旋絲強化冷凝換熱的實驗研究[J].應(yīng)用科技，2007，34（8）：55-57.

[10]趙曉曦， 鄧先和， 陳穎，等. 管殼式換熱器殼程傳熱強化研究[J]. 現(xiàn)代化工， 2001（7）：14-17.

[11]林宗虎， 汪軍， 李瑞陽. 強化傳熱技術(shù)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社， 2007. 38-41.

[12]吳爽. 內(nèi)置自旋彈簧換熱管工作特性實驗研究[D]. 廣西大學， 2006.

[13]趙國輝， 隋軍. 管殼式換熱器技術(shù)進展[J]. 化學工業(yè)與工程技術(shù)， 2000， 21（4）： 12-14.

[14]孫元進， 岳坤霞. 擾流子強化換熱器傳熱的研究與應(yīng)用[J]. 撫順： 撫順石油學院， 1989，34（6）： 4-7.

[15]任國瑜，初廣文，鄒海魁，等.插入內(nèi)構(gòu)件管式換熱器壓降特性研究[J].高?；瘜W工程學報，2012，26（5）：763-769.

[16]任國瑜，劉曉菊，李 晶，等. 平板式內(nèi)構(gòu)件管式換熱器傳熱性能研究[J].北京化工大學學報，45（2）：23-30.

[17]曹振恒，閆紅文，劉樹繁，等.多面折流片用于管式換熱器內(nèi)的強化傳熱性能[J].化工進展，2009，28（S1）：361-363.