劉曉林，林清宇，馮振飛，歐向波，劉宜仔

(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)

20世紀(jì)70年代初發(fā)生的世界性能源危機(jī)，有利的促進(jìn)了傳熱強(qiáng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，要節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，必須研究各種傳熱過程的強(qiáng)化問題。當(dāng)今各種強(qiáng)化傳熱技術(shù)主要分為主動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)和被動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)[1]。前者是指需要加入額外動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的技術(shù)，主要包括機(jī)械攪拌、表面震動(dòng)、靜電場(chǎng)和噴射；后者是指除流體輸送功外不需要耗用額外動(dòng)力的技術(shù)，主要包括處理表面、擾流裝置、渦旋流裝置和添加劑。其中渦旋流裝置廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中，主要形式有扭帶[2]、渦旋發(fā)生器、螺旋線圈[3-5]等。螺旋線圈因制造簡(jiǎn)單、成本低廉、金屬耗用量小等優(yōu)點(diǎn)特別適用于舊換熱器的改造，其強(qiáng)化傳熱機(jī)理是當(dāng)螺旋線圈絲徑較大時(shí)，靠近壁面的流體產(chǎn)生旋渦流和二次流，從而增強(qiáng)流體的徑向混合，促使流體速度分布和溫度分布的均勻；隨著絲徑的減小旋渦流和二次流的作用逐漸減弱，當(dāng)絲徑減小到一定程度時(shí)，螺旋線圈的作用僅相當(dāng)于粗糙表面，通過加強(qiáng)壁流區(qū)的湍流強(qiáng)度、阻隔邊界層的連續(xù)發(fā)展來減小層流底層的厚度以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的目的。作者利用螺旋線圈換熱管管內(nèi)介質(zhì)Re為5 000～60 000，對(duì)以水為工質(zhì)的單相流體進(jìn)行阻力和強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究，并通過綜合性能分析，指出了螺旋線圈在低粘度流體強(qiáng)化傳熱中適用的Re操作范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用飽和水蒸汽作為熱流體，自來水作為冷流體，以長(zhǎng)3 000 mm，內(nèi)管徑D42 mm×2.5 mm的套管式換熱器為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)過程中水走管程，由水泵(上海雙泉泵業(yè)有限公司)將水從蓄水槽中抽出，經(jīng)型號(hào)為IFM4080K電磁式流量計(jì)(上海光華愛而美特儀器有限公司)流入裝有螺旋線圈的換熱管與殼程的飽和水蒸汽進(jìn)行熱量交換，最后經(jīng)過緩沖管排出管道。管程流體的進(jìn)出口溫度由設(shè)置在換熱管兩端的溫度計(jì)測(cè)量，壓力差由U型管水銀壓差計(jì)測(cè)量；殼程飽和水蒸汽由型號(hào)為DZF電蒸汽發(fā)生器(廣東恩平機(jī)電廠)提供，壓力由精密壓力表(杭州富陽(yáng)東方儀表廠)測(cè)量。為減少實(shí)驗(yàn)過程中熱量損失，換熱管外表面包有50 mm厚的玻璃纖維保溫層。

1.2 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所需的螺旋線圈采用型號(hào)為14、16、22(鐵絲絲徑d分別為2.032、1.626、0.711 mm)的鐵絲作為加工材料，繞有加工有定距螺旋槽的鐵棒制作而成。螺旋線圈的結(jié)構(gòu)見圖2，主要參數(shù)有鐵絲絲徑d和線圈螺距P，螺旋線圈長(zhǎng)度為3 000 mm。為了有效對(duì)比絲徑d和螺距P對(duì)壓降和傳熱的影響，實(shí)驗(yàn)采用不同絲徑和不同螺距9種型號(hào)的螺旋線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 流體阻力特性分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到壓降ΔP和流速u的關(guān)系曲線，見圖3。

u/(m·s-1)圖3 不同型號(hào)線圈的ΔP-u關(guān)系圖

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：插入螺旋線圈后換熱管壓降同空管壓降變化趨勢(shì)一致，都成拋物線走勢(shì)，空管和螺旋線圈換熱管壓力降ΔP的回歸方程見表2；插入螺旋線圈后管內(nèi)壓降明顯高于空管壓降，型號(hào)為14-15的線圈壓降最大，是空管壓降的4.23～8.11倍，型號(hào)為22-48的線圈壓降最小，是空管壓降的1.44～2.48倍；流速u和絲徑d相同時(shí)，內(nèi)插螺旋線圈管的壓降隨螺距P的增大而減??；流速u和螺距P相同時(shí)，內(nèi)插螺旋線圈管的壓降隨絲徑d的增大而增大。

表2 流體壓力降的回歸方程

由文獻(xiàn)[6]知，安裝內(nèi)插件后換熱管的壓降ΔP由2部分組成，一部分是流體與管內(nèi)壁摩擦及流體內(nèi)部摩擦引起的壓降，即空管壓力降ΔP0；另一部分是管內(nèi)安裝內(nèi)插件后引起的壓力降增加ΔP1。通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置螺旋線圈后的壓降增量ΔP1、流速u及螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)d和P的數(shù)學(xué)模型：

ΔP1=C(d/di)x(P/di)yuz

式中C、x、y、z—待定常數(shù)，di—內(nèi)管內(nèi)徑。

對(duì)上式取對(duì)數(shù)，進(jìn)行多元線性回歸分析，經(jīng)過計(jì)算可以得到壓降增量的ΔP1的關(guān)聯(lián)式：

ΔP1=186 304.9(d/di)1.316 9(p/di)-0.661 2u1.613 9

方程的判定系數(shù)R2=0.974 0。上式的適用范圍：di=37 mm，d=0.711～2.032 mm，P=15～48 mm，u=0.06～1.30 m/s。從上式可知：當(dāng)絲徑d為變量其它因素不變時(shí)，絲徑d增加1倍，壓降增量增加2.49倍；當(dāng)螺距P為變量其它因素不變時(shí)，螺距P減小1倍，壓降增量增加1.58倍。因此，線圈絲徑d對(duì)壓降增量的影響強(qiáng)度大于螺距P對(duì)壓降增量的影響強(qiáng)度。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到摩擦阻力系數(shù)f和雷諾數(shù)Re的關(guān)系圖，見圖4。

從圖4可以看出：在相同的Re條件下，隨著絲徑d的減小和螺距P的增大，各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的f不斷降低；絲徑d和螺距P為定值時(shí)，各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的f隨Re增大而迅速降低，當(dāng)Re較大時(shí)f趨于定值。內(nèi)插螺旋線圈換熱管的摩擦阻力系數(shù)f趨于定值的趨勢(shì)與空管相比更為顯著，其中最為明顯的是型號(hào)為14-15的螺旋線圈，當(dāng)雷諾數(shù)Re達(dá)到20 000時(shí)f基本不再變化。這種現(xiàn)象是由于管內(nèi)插入螺旋線圈后管壁的當(dāng)量粗糙度增大，流體在較低的Re下就進(jìn)入完全紊流粗糙管區(qū)[7]，此時(shí)f僅取決于插入線圈的當(dāng)量粗糙度，而與Re的大小無關(guān)，線圈絲徑d的增加和螺距P的減小都能增加管壁的當(dāng)量粗糙度，因此，大線徑小螺距的14-15號(hào)線圈的摩擦阻力系數(shù)f更容易趨于定值。

Re圖4 不同型號(hào)線圈的f-Re關(guān)系圖

2.2 傳熱特性分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到努賽爾數(shù)Nu與雷諾數(shù)Re的關(guān)系圖，見圖5。

Re圖5 不同型號(hào)線圈的Nu-Re關(guān)系圖

由圖5可知，換熱管的Nu隨著Re的增大而增強(qiáng)，且各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的Nu與空管Nu相比均有大幅度提高；在Re相同時(shí)，內(nèi)插螺旋線圈換熱管的Nu隨著絲徑d的增大和螺距P的減小而增大；在Re較低時(shí)，各型號(hào)內(nèi)置螺旋線圈換熱管提高Nu的差別不大，但隨著Re的增大，各型號(hào)內(nèi)插螺旋線圈換熱管在強(qiáng)化傳熱的能力上產(chǎn)生分化，大線徑小螺距線圈提高強(qiáng)化傳熱的能力明顯高于小線徑大螺距線圈強(qiáng)化傳熱的能力；內(nèi)插螺旋線圈換熱管與空管相比，Nu提高了8.1%～141.5%，其中絲徑d=2.032 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了25.6%～141.5%，絲徑d=1.626 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了18.1%～131.1%，絲徑d=0.711 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了8.1%～113.0%，Nu提高最大的 14-15號(hào)螺旋線圈換熱管與Nu提高最小的22-48號(hào)螺旋線圈換熱管相比Nu平均提高了35.2%。

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置螺旋線圈的Nu、Re、Pr及線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

Nu=C(d/di)m(P/di)nRe′Pr0.4

其中C、m、n、t-待定參數(shù)。

對(duì)上式取對(duì)數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得到Nu數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

Nu=4.754 9(d/di)0.180 6(p/di)-0.124 4Re0.397 8Pr0.4

上式的判定系數(shù)R2=0.976 7。適用范圍：管程內(nèi)經(jīng)di=37 mm，d=0.711～2.032 mm，P=15～48 mm，Re=5 000～60 000。由上式可知，絲徑d對(duì)Nu的影響相比于螺距P的影響更大。

2.3 性能評(píng)價(jià)

換熱管內(nèi)置螺旋線圈實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，不可避免的造成壓降增大。因此在評(píng)價(jià)螺旋線圈換熱管的性能時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮傳熱系數(shù)的提高和摩擦阻力系數(shù)的增大2種因素。采用文獻(xiàn)[8]的強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，即φ=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3，式中，Nu0、f0代表光滑管的物理性能參數(shù)，φ為綜合性能指標(biāo)，通常φ>1時(shí)表明強(qiáng)化傳熱管的綜合性能優(yōu)越，具有工程應(yīng)用價(jià)值。通過該式計(jì)算，得到了9種內(nèi)置螺旋線圈強(qiáng)化傳熱管的綜合性能指標(biāo)φ和Re的關(guān)系曲線，見圖6。

Re圖6 不同型號(hào)線圈的φ-Re關(guān)系圖

從圖6中可以看出隨Re的增大，螺旋線圈換熱管的φ呈不斷下降的趨勢(shì)；當(dāng)Re<30 000時(shí)，各內(nèi)插線圈管的綜合性能指標(biāo)φ>1，當(dāng)Re>30 000時(shí)，大部分內(nèi)置線圈換熱管的綜合性能指標(biāo)φ<1；在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，小絲徑大螺距線圈的φ值明顯高于大絲徑小螺距線圈的φ值，綜合性能指標(biāo)最好的是型號(hào)為22-30的線圈，其φ值為1.02～1.59，平均值為1.24，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最差的型號(hào)為14-15的線圈，其φ值為0.77～1.40，這是由于大絲徑小螺距線圈的強(qiáng)化傳熱提高程度已經(jīng)不能彌補(bǔ)阻力損失的增加。實(shí)驗(yàn)表明，螺旋線圈更適合應(yīng)用于Re<30 000的情形，對(duì)高Re的強(qiáng)化傳熱，也可以選用小絲徑大螺距的線圈。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)，研究了換熱管內(nèi)置螺旋線圈的阻力及傳熱特性，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了如下主要結(jié)論。

(1) 換熱管插入螺旋線圈后，增加了管壁的當(dāng)量粗糙度，流體在較低的Re下進(jìn)入完全紊流粗糙管區(qū)，摩擦阻力系數(shù)大幅提高。

(2) 換熱管插入螺旋線圈后，可以顯著的強(qiáng)化傳熱，在作者所涉及的Re數(shù)范圍內(nèi)，與空管相比，換熱性能提高了8.1%～141.5%。

(3) 將包括螺旋線圈的絲徑d和螺距P在內(nèi)的因素進(jìn)行多元線性回歸分析，得到了相應(yīng)的努賽爾數(shù)Nu和壓降增量ΔP1關(guān)系式，同時(shí)指出絲徑d是影響Nu和ΔP1的最主要因素。

(4) 通過對(duì)螺旋線圈的綜合性能分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Re<30 000，各型號(hào)螺旋線圈都具有較高的應(yīng)用價(jià)值，當(dāng)Re>30 000時(shí)，應(yīng)該選用小絲徑、大螺距的螺旋線圈。

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