徐建民 黃 偉 熊 雯

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

內(nèi)插螺旋彈簧換熱管傳熱特性試驗研究

徐建民＊黃 偉 熊 雯

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

對內(nèi)插螺旋彈簧管和光管的換熱及其阻力特性進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明,內(nèi)插螺旋彈簧的存在增加了對管內(nèi)流體流動的擾動,使換熱管具有較好的傳熱效果。內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的強化傳熱綜合性能比光管提高了 1.57～2.54倍,內(nèi)插螺旋彈簧管的綜合性能好于光管。

換熱器 內(nèi)插螺旋彈簧管 傳熱 實驗研究

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展日益嚴(yán)重的世界能源危機(jī),使得能源有效利用技術(shù)越來越受到重視。換熱器不僅是為了滿足工藝的特定需要,而且也是回收能量、節(jié)約能量的有效裝置,在回收利用余、廢熱能方面發(fā)揮著重大作用[1]。換熱器是工藝過程中必不可少的單元設(shè)備,在諸多工程領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。近年來,隨著世界能源的日益短缺,各國政府與專家都十分重視傳熱強化和熱能回收利用的研究和開發(fā)工作,換熱器的強化傳熱研究便也成為該領(lǐng)域研究的重點[1～4]。管殼式換熱器的效率對節(jié)能有著重大的現(xiàn)實意義,并廣泛地應(yīng)用在化工生產(chǎn)過程中,針對其特點提高換熱效率,換熱管內(nèi)插物就是其中一種。內(nèi)插物不需要外加動力,成本低廉,加工比較方便,不僅能強化傳熱,還能實現(xiàn)換熱器的在線除垢、防垢[5]。基于此,內(nèi)插螺旋彈簧管利用換熱管內(nèi)插入螺旋彈簧來使流體產(chǎn)生徑向流動,從而加強流體混合、促進(jìn)管內(nèi)流體速度和溫度分布的均勻,并獲得管壁與流體間較高的對流換熱系數(shù)。筆者對內(nèi)插螺旋彈簧管和光管的換熱及阻力特性進(jìn)行了試驗研究,以期為內(nèi)插螺旋彈簧管換熱器的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置及條件

1.1 試驗用內(nèi)插螺旋彈簧管

試驗所用光管的公稱尺寸為?25 mm×0.8 mm×1820 mm,材質(zhì)為 0Cr18Ni9,數(shù)量為 19根管。內(nèi)插螺旋彈簧選用外徑 12 mm,絲徑 1 mm,節(jié)距 6 mm,長 1820 mm的彈簧。

1.2 試驗流程

為了驗證內(nèi)插螺旋彈簧換熱管傳熱性能的優(yōu)越性,設(shè)計了試驗流程如圖 1所示。

圖1 試驗裝置流程1—加熱鍋爐 2—離心泵 3—閥門 4—電磁流量計 5—水箱6—電磁流量計 7—冷流體入口 8—溫度測量儀9—熱流體出口 10—內(nèi)插螺旋彈簧管換熱器 11—冷流體出口12—熱流體進(jìn)口 13—壓力傳感變送器

試驗裝置由高溫水回路、低溫水回路、測量控制系統(tǒng)和試驗用換熱器四大部分組成。試驗時,管程體積流量控制在 3.5～17.5 m3/h,殼程體積流量控制在 4.5～10.5 m3/h,管內(nèi) (管程)為熱流體,管外 (殼程)為冷流體。試驗以冷熱水作為介質(zhì),熱流體溫度控制在 70℃以下,以確保試驗的安全性。如圖 1所示,通過三個按鈕開關(guān)對電加熱器功率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而達(dá)到控制管程流體進(jìn)口溫度的目的。試驗前對電磁流量變送傳感器、溫度傳感器均進(jìn)行了標(biāo)定和校正。選定 4種管程進(jìn)口流量,它們分別是滿程 (35 m3/h)的 10%、30%、40%、50%,也選定 4種殼程進(jìn)口流量,它們分別是滿程(15 m3/h)的 30%、50%、60%、70%,這樣一種試驗就需測定 16組數(shù)據(jù),每組分別測定管、殼程的進(jìn)、出口溫度及殼程壓降。

1.3 試驗步驟

由于試驗過程中的用電設(shè)備較多,為了盡量控制系統(tǒng)操作工況不發(fā)生大的波動,必須嚴(yán)格地控制試驗的操作。現(xiàn)簡單介紹如下:

(1)將換熱器試驗?zāi)Ｐ徒尤朐囼炏到y(tǒng),檢查各試驗裝置及儀表安裝無誤。

(2)往熱水箱里注滿水并打開水泵,冷水箱中也注滿水并打開水泵,以保證管、殼程流體的連續(xù)流動,并檢查換熱器的密封性。

(3)打開熱水箱電加熱器,調(diào)節(jié)換熱器管程流量控制閥門,維持管程熱水流量穩(wěn)定不變。調(diào)節(jié)換熱器殼程流量控制閥門,改變殼程冷水的流量,觀察各測點溫度變化情況。當(dāng)各溫度值基本穩(wěn)定不變,溫度波動小于 ±0.5℃時,說明換熱器傳熱與流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時記錄所有測量數(shù)據(jù)。

(4)調(diào)節(jié)換熱器殼程流量控制閥門,維持殼程冷水流量穩(wěn)定不變。調(diào)節(jié)換熱器管程流量控制閥門,改變管程熱水的流量,觀察各測點溫度變化情況。當(dāng)各溫度值基本穩(wěn)定不變,溫度波動小于 ±0.5℃時,說明換熱器傳熱與流動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時記錄所有測量數(shù)據(jù)。

(5)更換換熱器試驗?zāi)Ｐ?重復(fù)以上操作步驟,直到完成所有試驗工況。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 傳熱性能對比

內(nèi)插螺旋彈簧換熱管和光管的傳熱性能關(guān)系曲線如圖 2所示。從圖 2中可以看出,內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的努塞爾系數(shù) N u隨雷諾數(shù) Re的增加而增大,這一點與光管相同;內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的傳熱性能均比光管的好。在相同雷諾數(shù) Re下,內(nèi)插螺旋彈簧管的努塞爾系數(shù)Nu要比光管的大。

圖2 內(nèi)插螺旋彈簧管與光管傳熱性能及對比

2.2 阻力性能對比

內(nèi)插螺旋彈簧管和光管的壓降變化曲線如圖 3所示。從圖 3中可以看出,在相同 Re下,內(nèi)插螺旋彈簧管的壓降均大于光管。

圖3 內(nèi)插螺旋彈簧管和光管壓降變化曲線

2.3 強化傳熱綜合性能變化曲線

內(nèi)插螺旋彈簧管和光管的強化傳熱綜合性能變化曲線如圖 4所示。

圖4 強化傳熱綜合性能變化曲線

從相同輸送功率下輸送熱量大小的觀點來看,以 (N u/N uo)/(ξ/ξo)1/3作為強化傳熱綜合性能的評價準(zhǔn)則。當(dāng) (Nu/N uo)/(ξ/ξo)1/3>1時,強化傳熱有效。從圖 4中可以看出,內(nèi)插螺旋彈簧管的(Nu/N uo)/(ξ/ξo)1/3均大于光管的 。

3 結(jié)論

(1)螺旋彈簧的存在增加了對管內(nèi)流體流動的擾動,使換熱管具有較好的傳熱效果。

(2)內(nèi)插螺旋彈簧換熱管的強化傳熱綜合性能變化曲線比光管提高了 1.57～2.54倍,內(nèi)插螺旋彈簧管的綜合性能好于光管。

[1] 肖宏亮 .管內(nèi)移動彈簧插入物在線清洗及其傳熱與流阻特性的分析 [D].廣州:華南理工大學(xué),1989.

[2] 董珊,劉殿殿,吳永紅,等 .管內(nèi)插入物單相流體強化傳熱的實驗研究 [J].熱能動力工程,1990,5(l):31-35.

[3] 張至英,戴干策 .管內(nèi)插入螺旋線圈強化傳熱的研究[J].化工裝備技術(shù),1991,12(4):10-15.

[4] 孟祥春 .管內(nèi)插入螺旋絲強化傳熱的研究 [J].化工裝備技術(shù),1991,12(5):8-13.

[5] 徐天華 .管內(nèi)插入物強化液體傳熱 [J].化工煉油機(jī)械,1984,13(6):14-16.

＊徐建民,男,1965年生,教授。武漢市,430073。

2009-09-21)