螺旋板式熱交換器傳熱與流動特性試驗研究

（合肥通用機械研究院有限公司 傳熱技術(shù)與裝備研究所，合肥 230031）

符號說明：

α——對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

de——當量直徑，mm；

Dm——螺旋通道的平均直徑，mm；

λ——介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

u——流速，m/s；

μ——黏度，Pa·s；

cp——定壓比熱容，J/（kg·℃）；

ΔP——壓力降，Pa；

n——定距柱密度，個/m2；

L——流道長度，m；

l——定距柱間距，m；

d——定距柱直徑，m；

K——總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

0 引言

螺旋板式熱交換器作為熱交換器的典型結(jié)構(gòu)形式之一，廣泛應(yīng)用于煤化工、煉鋼、制冷、污水處理等行業(yè)，適用于汽-汽、汽-液、液-液對流傳熱，蒸汽冷凝傳熱和液體蒸發(fā)傳熱，具有傳熱系數(shù)高，污垢熱阻小等諸多優(yōu)點［1-5］。螺旋板式換熱器的綜合性能對石化、制冷等行業(yè)裝置的能量綜合利用與節(jié)能起到重要的作用［6］。

目前針對螺旋板式換熱器的研究大多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、失效分析等方面［7-10］，對其傳熱與流動特性及其影響因素的研究相對較少。李越勝等［11］等采用周期流模型對螺旋板換熱器流動與傳熱性能進行數(shù)值模擬，研究了定距柱排列參數(shù)及板間距對換熱器性能的影響；Nguyen等［12］等研究了壁面熱傳導(dǎo)與傳熱效率之間的關(guān)系，認為選擇合適的螺旋板材料可顯著提高螺旋板熱交換器的整體傳熱性能；程友良等［13］采用數(shù)值模擬方法對螺旋板式換熱器流道中添加螺旋形擾流體的工況進行數(shù)值模擬，分析了添加擾流柱對換熱器流動換熱特性的影響；蔡飛等［14］基于火積耗散理論，分析了螺旋板式換熱器運行過程中因傳熱和壓降造成的火積耗散數(shù)與冷流體出口溫度、流速的關(guān)系。林玉娟等［15］對螺旋板式換熱器高黏性介質(zhì)的傳熱特性進行了數(shù)值模擬，分析了不同黏度流體對螺旋板式換熱器傳熱性能的影響。

本文基于理論分析確定影響螺旋板式熱交換器傳熱與流動的關(guān)鍵因素，通過試驗的方法，研究各關(guān)鍵因素對螺旋通道內(nèi)流體的傳熱與流動性能影響規(guī)律，并基于試驗數(shù)據(jù)對螺旋流的對流換熱系數(shù)和壓力降的準則式進行擬合，以期為螺旋板式熱交換器的能效評價及預(yù)測提供更準確的指導(dǎo)。

1 傳熱與流動特性影響因素分析

螺旋板式換熱器常見的結(jié)構(gòu)為兩側(cè)均為螺旋流的形式，其簡圖如圖1所示，冷熱流體分別沿著螺旋通道進行逆流換熱。湍流狀態(tài)下，其對流換熱系數(shù)的常用計算公式為［14］：

從該計算式可看出，螺旋通道的對流換熱系數(shù)是在圓形直管對流換熱系數(shù)計算公式的基礎(chǔ)上，增加了修正項（1+3.54de/Dm），對螺旋矩形通道的影響進行了修正，因而從基準公式可看出，影響對流換熱系數(shù)的主要參數(shù)包括當量直徑de、雷諾數(shù)Re以及普朗特數(shù)Pr。而影響雷諾數(shù)的因素包括幾何參數(shù)當量直徑de，流動參數(shù)流速u和物性參數(shù)μ；影響普朗特數(shù)Pr的參數(shù)均為物性參數(shù)。由于物性參數(shù)主要受介質(zhì)、溫度與壓力影響，當介質(zhì)一定時，且壓力變化不大時，物性參數(shù)主要受溫度影響。

圖1 螺旋板式換熱器結(jié)構(gòu)示意

湍流狀態(tài)下螺旋流的壓降計算公式為［16］：

該計算式中，第一項為空的彎曲通道的阻力，第二項為定距柱的影響，第三項為進出口的局部阻力之和。影響螺旋流壓力降的主要參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)當量直徑de、螺旋通道長度L和定距柱密度n，流動參數(shù)流速u及相關(guān)物性參數(shù)。由于在螺旋通道流動阻力中，局部阻力占比較小，其總阻力與流動長度L近似成正比關(guān)系，因而通常研究螺旋通道單位長度上的流動阻力，即可消除幾何尺寸L的影響。

綜上所述，影響螺旋板式熱交換器流動與傳熱特性的主要因素為結(jié)構(gòu)參數(shù)當量直徑de、定距柱密度n，熱工參數(shù)流速u及溫度T等。

2 試驗研究

2.1 試驗樣機

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱工參數(shù)對螺旋板式熱交換器傳熱與流動特性的影響規(guī)律，本文設(shè)計并制造了4臺樣機，4臺樣機參數(shù)見表1。1#，3#，4#樣機定距柱密度均為200個/m2，當量直徑分別為19.7，30.9，37.9mm，對3臺樣機進行試驗，研究當量直徑對傳熱與流動特性的影響；2#，3#樣機當量直徑接近，定距柱密度相差4倍，對2#，3#樣機進行試驗，研究定距柱密度的影響。

表1 螺旋板式熱交換器樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 試驗裝置及方法

試驗裝置如圖2所示。冷水罐的冷流體（冷水）通過泵輸送至樣機冷側(cè)通道入口，熱水罐的熱流體（熱水）通過加熱器加熱至目標溫度后輸送至熱側(cè)通道入口，冷、熱流體在樣機內(nèi)進行逆流換熱，冷流體被加熱，熱流體被冷卻。冷流體被加熱后，被送入冷卻塔進行冷卻降溫，再返回冷水罐；熱流體被冷卻后，直接返回?zé)崴?。當需要調(diào)節(jié)冷卻水溫度時，可通過調(diào)節(jié)冷流體出口端的旁路閥門，與進口端冷流體進行混合，調(diào)至目標溫度。冷、熱流體的進、出口側(cè)均設(shè)有溫度計和壓差變送器，冷、熱流體的進口側(cè)均設(shè)置了流量計和調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)兩側(cè)流體的流量。

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱工參數(shù)對螺旋板式換熱器傳熱與流動特性的影響，分別對4臺樣機進行了流速從0.3～1.2 m/s，間隔0.1 m/s，冷流體進口溫度為18℃和30℃的共80組試驗。

圖2 試驗系統(tǒng)簡圖

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺旋板熱交換器傳熱與流動特性的影響

以冷流體進口溫度為18 ℃，熱流體進口溫度為50 ℃例，對4臺樣機冷熱流體的總傳熱系數(shù)及壓力降進行分析。如圖3所示，4臺換熱面積近似的樣機，當定距柱密度相同時（對比n=200個/m2，de=19.7，30.9，37.9 mm的3臺樣機的K曲線），當量直徑de=19.7 mm的樣機總傳熱系數(shù)K最小，各流速下的平均值為1 788 W/（m2·℃），當量直徑de=37.9 mm的樣機總傳熱系數(shù)K最大，各流速下的平均值為1 947 W/（m2·℃），相對增加9%。因而對于換熱面積一定的螺旋板式熱交換器，相同流速下當量直徑較大時總換熱系數(shù)相對較高。對比de=27.3 mm、n=800個/m2和de=30.9 mm、n=200個/m2的2臺樣機的總換熱系數(shù)K，其平均值為分別為2 177，1 859 W/（m2·℃），2#樣機定距柱密度增加后，其平均總傳熱系數(shù)相對3#樣機增加了17%。

圖3 不同結(jié)構(gòu)下總傳熱系數(shù)隨流速變化關(guān)系

圖4 不同結(jié)構(gòu)下壓力降隨流速變化關(guān)系

3.2 冷流體進口溫度對螺旋板熱交換器傳熱與流動特性的影響

以de=19.7 mm，n=200 個/m2的樣機為例，分析冷流體進口溫度對螺旋板換熱器總傳熱系數(shù)和壓力降的影響。圖5和6分別示出不同進口溫度下總傳熱系數(shù)K和壓力降隨流速變化關(guān)系，從圖中可以看出，當冷流體進口溫度從18 ℃提高到30 ℃時，其總傳熱系數(shù)整體提高，平均值由1 788 W/（m2·℃）增加至 1 902 W/（m2·℃），相對增加6%；而其平均壓力降從2 719 Pa/s降到2 580 Pa/s，相對降低5%。冷流體溫度增加有助于提高總傳熱系數(shù)，同時由于流體溫度的升高，導(dǎo)致流體黏度降低，使得因黏性力導(dǎo)致的流動壓力損失略有降低。

圖5 不同進口溫度下總傳熱系數(shù)隨流速變化關(guān)系

圖6 不同進口溫度下壓力降隨流速變化關(guān)系

3.3 基于試驗數(shù)據(jù)的對流換熱系數(shù)及壓力降準則式擬合

3.1節(jié)中的研究結(jié)果表明，定距柱密度對螺旋流的對流換熱具有顯著影響，而湍流狀態(tài)下螺旋流的對流換熱系數(shù)的標準推薦計算式（1）并未考慮定距柱密度的影響，與試驗結(jié)果相比，該公式計算值顯著偏低，造成換熱面積的過度浪費，不利于節(jié)能?；?臺樣機的80組試驗數(shù)據(jù)，對湍流狀態(tài)下，螺旋流的對流換熱系數(shù)進行擬合，結(jié)果為：

其中，流體被加熱時m=0.4，流體被冷卻時m=0.3。

該公式引入了螺旋矩形通道、定距柱密度影響的修正項。采用不同工況下的試驗數(shù)據(jù)對擬合公式進行驗證，并與式（1）進行比較，結(jié)果如圖7所示。擬合公式預(yù)測值與試驗值的相對偏差范圍為（-15.7%，+7.8%），偏差絕對值的平均值為5.4%；式（1）的預(yù)測值與試驗值的相對偏差范圍為（-51.9%，-25.5%），偏差絕對值的平均值為40.6%。擬合公式的準確度顯著高于式（1），可為螺旋板換熱器的能效評價提供更準確的指導(dǎo)。

基于試驗數(shù)據(jù)對螺旋流的壓力降公式也進行了擬合，結(jié)果為：

圖7 對流換熱系數(shù)預(yù)測值與試驗值對比

圖8 壓力降預(yù)測值與試驗值對比

采用不同工況下的試驗數(shù)據(jù)對擬合公式進行驗證，如圖8所示，結(jié)果表明擬合公式預(yù)測值與試驗值的相對偏差范圍為（-15.8%，+20.7%），偏差絕對值的平均值為6.3%；式（2）的預(yù)測值與試驗值的相對偏差范圍為（-49.2%，+29.1%），偏差絕對值的平均值為18.0%。擬合公式的準確度顯著高于式（3），可更準確的指導(dǎo)螺旋板換熱器的能效評價。

4 結(jié)論

（1）換熱面積一定的螺旋板式熱交換器，相同流速下當量直徑較大時總換熱系數(shù)相對較高，壓力降相對較低。當量直徑由19.7 mm增加至37.9 mm時，總傳熱系數(shù)相對增加9%，平均壓力降相對降低45%。而定距柱密度由200 個/m2增加至800 個/m2時，總傳熱系數(shù)相對增加17%，壓力降相對增加129%。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力降的影響高于對總傳熱系數(shù)的影響。

（2）冷流體進口溫度的提高可增強對流換熱效果，減小流體流動的阻力。當冷流體進口溫度從18℃提高到30℃時，其總傳熱系數(shù)相對增加6%，而平均壓力降相對降低5%。

（3）基于試驗數(shù)據(jù)對湍流狀態(tài)下螺旋流的對流換熱系數(shù)和壓力降準則式進行了擬合并進行了試驗驗證，對流換熱系數(shù)擬合公式的平均相對誤差為5.4%，壓力降擬合公式的平均相對誤差為6.3%，均顯著低于標準推薦公式的平均相對誤差。擬合公式為螺旋板換熱器的能效評價奠定了基礎(chǔ)。