黃媛媛 周幗彥 錢泰磊 安冬旭 楊 留 朱冬生

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 承壓系統(tǒng)安全與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200237)

基于三葉扭曲膨脹管技術(shù)的油冷器實(shí)驗(yàn)分析

黃媛媛 周幗彥 錢泰磊 安冬旭 楊 留 朱冬生

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 承壓系統(tǒng)安全與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200237)

傳統(tǒng)管殼式油冷卻器的傳熱效率較低，且存在殼程流動死區(qū)及易結(jié)垢等缺點(diǎn)。本文采用新型三葉形扭曲膨脹管技術(shù)提高傳統(tǒng)油冷器的傳熱。通過實(shí)驗(yàn)測試平臺測試得到的三葉形扭曲膨脹管油冷器傳熱及壓降數(shù)據(jù)，與光滑圓管油冷器、傳統(tǒng)翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明，采用三葉形扭曲膨脹管技術(shù)能明顯提高油冷器傳熱系數(shù)，但比外翅片管油冷器壓降更高，在較低雷諾數(shù)下，三葉形扭曲膨脹管油冷器綜合性能比翅片管油冷器差，而隨雷諾數(shù)增加，其綜合性能逐漸優(yōu)于外翅片管油冷器，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

油冷器；三葉管；強(qiáng)化傳熱；綜合性能

油冷卻器在石油化工、能源動力等諸多行業(yè)發(fā)揮重要作用，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備潤滑油的冷卻工藝，由于潤滑機(jī)油粘度大，操作流速低，導(dǎo)致一般油冷器傳熱系數(shù)很低，光管一般在350 W/(m2·K)[1-2]。近年來，對油冷器強(qiáng)化傳熱提出了很多方法，螺紋翅片管已在工業(yè)油冷器中應(yīng)用[3]，總傳熱系數(shù)與肋化系數(shù)有關(guān)，而肋化系數(shù)過大會導(dǎo)致光坯管壁厚增加，不利于節(jié)省材料。鄧先和等[4-6]提出花瓣狀翅片管，在周向翅片上開齒，通過增加翅間湍流度，獲得較佳的傳熱效果，并對殼程支撐方式改變帶來的強(qiáng)化效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其綜合性能優(yōu)越，但加工難度大，很難推廣應(yīng)用。王楊君等[7]提出旋流片支撐縮放管管束換熱器殼程結(jié)構(gòu)的復(fù)合強(qiáng)化方法，以空氣為殼程介質(zhì)與空心環(huán)支撐進(jìn)行了對比。錢頌文等[8]，譚祥輝等[9-10]分析研究的扭曲管換熱器能夠顯著提高傳熱效果，然而其由于對換熱管進(jìn)行了壓扁工藝，使傳熱熱阻高側(cè)的流通空間變大，不利于油側(cè)對流傳熱系數(shù)的提高。王定標(biāo)等[11]在扭曲橢圓管的基礎(chǔ)上提出了一種新型的三葉扭曲膨脹管，并對其管內(nèi)換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明同雷諾數(shù)Re下，相比扭曲橢圓管，三葉扭曲膨脹管擁有更高的強(qiáng)化傳熱效果。由于螺旋三葉管為國內(nèi)首創(chuàng)，因此國外對于螺旋三葉管的換熱器的研究并沒有涉及。三葉形扭曲膨脹管(以下簡稱SP管)能夠?qū)崿F(xiàn)殼程自支撐，并改變管殼程流通截面積比，使管殼側(cè)傳熱膜系數(shù)提高，能夠明顯提高傳熱效果，殼程形成縱向螺旋形流道，提高了油側(cè)湍動程度，因此有利于提高油冷器傳熱效果[11]。為此自行設(shè)計了雙管程雙殼程的SP管油冷器，并與翅片管油冷器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比研究，綜合分析了SP管油冷器的強(qiáng)化傳熱效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)平臺參考標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10379—2002搭建，并參考該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。換熱器溫度、壓力和流量測點(diǎn)布置在管程、殼程進(jìn)、出口接管處，其分布圖見圖1。

主要測試SP管油冷器殼程油側(cè)換熱及壓降性能，殼程介質(zhì)為30號機(jī)油；管內(nèi)換熱介質(zhì)為冷水，油箱7中的油經(jīng)盤管8加熱后流過油冷器4殼程，被從冷水箱1中流經(jīng)油冷器4管程的水冷卻，返回油箱循環(huán)使用。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要測試油冷器管程及殼程的體積流量Gt，Gs，進(jìn)出口溫度Ti，To，ti，to及殼程進(jìn)出口壓差Δps，測試油冷器殼程截面布管圖如圖2所示(數(shù)據(jù)單位：mm)，換熱器殼程長度L為1.00 m，換熱管基圓直徑D=7 mm，過渡圓弧半徑d=1 mm，葉高3 mm，扭矩P=70 mm，壁厚為0.5 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

為保證每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測試過程中，每組采集點(diǎn)數(shù)據(jù)均連續(xù)運(yùn)行至穩(wěn)定半小時以上后采集20組數(shù)據(jù)取平均值得到。

2 數(shù)據(jù)處理方案

換熱器殼程流體流速，殼程當(dāng)量直徑以及殼程流體Reynolds數(shù)分別滿足[12]：

(1)

傳熱計算不計污垢熱阻，由傅里葉定律以及傳熱過程基本方程，則換熱器總傳熱系數(shù)滿足：

(2)

(3)

式中：Q為管程換熱量，W，實(shí)驗(yàn)測試管殼程換熱量誤差在10%以內(nèi)；F為SP管換熱器換熱面積，m2,按基圓管計算；ΔTm為實(shí)驗(yàn)對數(shù)平均溫差[13],K。

Q=cpmtΔt

(4)

F=nπdL

(5)

(6)

管程對流傳熱膜系數(shù)用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算，結(jié)合總傳熱膜系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式分離計算殼程努賽爾數(shù)Nus，定義殼程傳熱因子j，式中Prs為殼程油的普朗特數(shù)：

(7)

(8)

殼程摩擦系數(shù)滿足式(9):

(9)

式中：壓降Δp可通過實(shí)驗(yàn)測試直接得到。

在對油冷卻器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時，由于受到測試儀器精度的影響，實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)必然會存在一定的不確定度，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)對測試系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)處理公式進(jìn)行誤差分析。參考文獻(xiàn)[14]對實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的誤差分析方法，本文采用二次方公式的方法進(jìn)行誤差分析，以下是具體的計算分析結(jié)果：管側(cè)傳熱膜系數(shù)總不確定度最大值為7.2%，阻力系數(shù)為4.8%，殼程傳熱系數(shù)不確定度最大值為5.8%，平均值阻力系數(shù)為3.1%，均在允許誤差范圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 傳熱因子及摩擦因子分析

為了對比分析得到SP管油冷器相對于其他油冷器的強(qiáng)化傳熱性能，本文通過實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與鄧先和等[6]研究的傳統(tǒng)折流板(光滑管)油冷器、傳統(tǒng)翅片管(螺紋翅片管)油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳熱與壓降性能對比。

圖4是實(shí)驗(yàn)測試的SP管油冷器與傳統(tǒng)折流板油冷器、傳統(tǒng)翅片管油冷器及花瓣狀翅片管油冷器的殼程傳熱因子曲線。由圖4分析可知：實(shí)驗(yàn)測試的SP管油冷器及傳統(tǒng)翅片管油冷器傳熱因子均高于傳統(tǒng)折流板式油冷器；SP管油冷器殼程傳熱因子隨雷諾數(shù)增長速度明顯高于傳統(tǒng)翅片管油冷器，當(dāng)Re>500時，SP管油冷器殼程傳熱因子較傳統(tǒng)翅片管油冷器高，且隨雷諾數(shù)增長，差值增大，傳熱效果優(yōu)勢明顯?，F(xiàn)象說明在低雷諾數(shù)下，傳熱面積的增加對傳熱效果有明顯提高作用，當(dāng)雷諾數(shù)逐漸升高時，傳熱面積的作用不再明顯，而SP管的自支撐設(shè)計使管殼程流通截面積比例改變，從而使管殼程對流傳熱膜系數(shù)較翅片管油冷器更趨于對稱。殼程由于流道的螺旋原因，形成變空間復(fù)雜的縱向流動，產(chǎn)生強(qiáng)紊流的同時又出現(xiàn)二次流，有效破壞流動邊界層，增強(qiáng)了油側(cè)傳熱效果。管程由于管形的立體螺旋扭轉(zhuǎn)，使水側(cè)產(chǎn)生二次流，傳熱系數(shù)也相應(yīng)提高。

與花瓣狀翅片管油冷器相比，SP管油冷器傳熱效果處于劣勢，原因是SP管油冷器與花瓣狀翅片管油冷器對與殼程流體流動的湍動程度均有促進(jìn)作用，能有效破壞傳熱滯留層。而花瓣狀翅片管油冷器結(jié)合了長孔波紋網(wǎng)板支撐結(jié)構(gòu)，形成復(fù)合強(qiáng)化傳熱效果，SP管油冷器則僅僅是對管形進(jìn)行了改變，形成殼程自支撐結(jié)構(gòu)；但花瓣狀翅片加工要求高，制造困難，因此三葉扭曲膨脹管在制造加工、材料投入方面則明顯優(yōu)于花瓣狀翅片管油冷器，工程應(yīng)用中SP管油冷器有優(yōu)勢。

圖5為實(shí)驗(yàn)測試的SP管油冷器與傳統(tǒng)折流板式油冷器、傳統(tǒng)翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的摩擦因子比較。結(jié)果表明：低雷諾數(shù)下摩擦因子隨雷諾數(shù)變化明顯，隨雷諾數(shù)升高，摩擦因子變化趨于平穩(wěn)；實(shí)驗(yàn)測試的傳統(tǒng)翅片管油冷器壓降最低，其他三種管形均低于傳統(tǒng)折流板式油冷器；且花瓣狀翅片管長孔波紋網(wǎng)板支撐結(jié)構(gòu)的油冷器壓降要高于SP管油冷器。

3.2 綜合性能分析

工程應(yīng)用中，換熱器性能優(yōu)越與否要綜合考慮很多因素，包括經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性、安全性等[15]，這里只考慮傳熱與阻力因素對實(shí)驗(yàn)測試的油冷器進(jìn)行綜合評價，目前常見的評價標(biāo)準(zhǔn)包括等流量、等壓降和等泵功約束條件下的評價準(zhǔn)則[16]。按以上三種評價標(biāo)準(zhǔn)對所測試的兩臺油冷器進(jìn)行了分析，圖6～圖8分別為三種評價標(biāo)準(zhǔn)所得出的對比圖，其中實(shí)線為同規(guī)格同流速下傳統(tǒng)折流板油冷器評價線。

從圖6～圖8分析可知：SP管油冷器在低流速下綜合性能較傳統(tǒng)翅片管油冷器差，隨流速u的增加，三種條件下SP管油冷器綜合性能增長率均優(yōu)于傳統(tǒng)翅片管油冷器，等流量為約束條件下，SP管油冷器綜合性能在油側(cè)流速達(dá)到3.3 m/s后開始優(yōu)于傳統(tǒng)翅片管油冷器；等壓降約束條件下，當(dāng)油側(cè)流速達(dá)到2.8 m/s后，SP管油冷器體現(xiàn)出綜合性能優(yōu)勢；等泵功條件下，SP管油冷器綜合性能在油流速2.5 m/s時就已經(jīng)高于傳統(tǒng)翅片管油冷器。在多數(shù)以泵功消耗為代價的冷油工藝中，采用SP管油冷器比傳統(tǒng)翅片管油冷器綜合性能優(yōu)越。

采用Webb R L[17-18]綜合性能準(zhǔn)則關(guān)系式對SP管換熱器的傳熱效果及流阻性能進(jìn)行綜合評價，即:

(10)

式中：η指的是單位能耗下該油冷器殼側(cè)傳熱膜系數(shù)h和傳統(tǒng)折流板式油冷器殼側(cè)的傳熱膜系數(shù)h0的比值。η的值越大，說明換熱器相對于基準(zhǔn)換熱器綜合性能越好，即相同功耗下，能達(dá)到的傳熱效果更好。以傳統(tǒng)折流板式油冷器為基準(zhǔn)，各類油冷器的綜合性能曲線如圖9所示。

由圖9可知：兩種油冷器的殼側(cè)綜合評價因子均大于1，翅片管油冷器綜合評價因子伴隨雷諾數(shù)的增加呈下降趨勢，逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于隨著雷諾數(shù)增加，翅片管油冷器傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)較折流板油冷器均有提高，但前者傳熱系數(shù)的提高要小于后者阻力系數(shù)的增大，從而綜合性能下降；而SP管油冷器綜合評價因子呈上升趨勢，逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于前者傳熱系數(shù)的提高要大于后者阻力系數(shù)的增大，從而綜合性能上升。在較低雷諾數(shù)下，SP管油冷器綜合性能較翅片管油冷器差，隨雷諾數(shù)逐漸提高，SP管油冷器綜合性能上升，在雷諾數(shù)達(dá)到550時，綜合性能超越翅片管油冷器。綜上所述：低雷諾數(shù)下油冷器的綜合性能主要與換熱面積有關(guān)，隨著雷諾數(shù)的增加，流體的湍動程度逐漸起主導(dǎo)作用。SP管油冷器在高雷諾數(shù)下有很好的綜合傳熱性能。

4 結(jié)論

1)本文對比分析了SP管油冷器與傳統(tǒng)折流板油冷器、傳統(tǒng)翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的傳熱及壓降性能，結(jié)果表明SP管油冷器在Re>500后顯示出明顯的傳熱優(yōu)勢。

2)采用三種評價方法對SP管油冷器進(jìn)行了綜合評價，其綜合性能隨流速增加呈現(xiàn)上升趨勢，在達(dá)到一定流速時綜合性能優(yōu)于翅片管油冷器。

3)以傳統(tǒng)折流板式油冷器為基準(zhǔn)，綜合評價了SP管油冷器與翅片管油冷器，結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)下，翅片管油冷器綜合性能占優(yōu)勢，隨著雷諾數(shù)的增加，SP管油冷器綜合性能明顯提高，并逐漸優(yōu)于翅片管油冷器，有很好的工程應(yīng)用前景。

符號說明

As——?dú)こ塘魍ń孛娣e，m2

cp——等壓比熱，J/(kg·K)

di——換熱管內(nèi)徑，mm

dm——換熱管中心線直徑，mm

do——基圓直徑，mm

ds——?dú)こ坍?dāng)量直徑

f——摩擦因子

F——換熱面積，m2

Gt，Gs——管殼程體積流量，kg/s

ht——管程對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

hs——?dú)こ虒α鱾鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

Ti，To，ti，to——管殼程進(jìn)出口溫度，℃

Δps——?dú)こ虊航担琍a

L——換熱管長度，m

S——換熱管扭矩，mm

us——?dú)こ塘黧w流速，m/s

Res——?dú)こ汤字Z數(shù)

ρ——密度，kg/m3

μ——粘度，Pa·s

Q——熱負(fù)荷，W

K——總傳熱系數(shù), W/(m2·K)

Fs——總管外傳熱面積，m2

Δtm——對數(shù)平均溫差，K

δ——換熱管壁厚，mm

λ——換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

mt——管程流體質(zhì)量流量，kg/s

n——換熱管根數(shù)

j——傳熱因子

Prs——普朗特數(shù)

Nus——努賽爾數(shù)

λs——?dú)こ塘黧w導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

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About the author

Huang Yuanyuan, female, master candidate, School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, +86 15901871622，E-mail: yyhuang111@126.com. Research fields: heat transfer enhancement and high efficiency heat exchanges.

Experimental Analysis of Oil Cooler Based on Trefoil Screwed Expansion Pipe

Huang Yuanyuan Zhou Guoyan Qian Tailei An Dongxu Yang Liu Zhu Dongsheng

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Key Laboratory of Pressure Systems and Safety of Ministry of Education, Shanghai, 200237, China)

The traditional oil cooler with smooth tube has low heat transfer coefficient and dead zone in shell side flow, and it easily produces dirt. The trefoil screwed expansion pipe is used to enhance the heat transfer of the traditional oil cooler. The heat transfer and pressure drop of the oil cooler with trefoil screwed expansion tube were tested in an experimental system and compared with oil cooler with smooth tube and oil cooler with outer finned tube respectively. The result shows that the oil cooler with trefoil screwed expansion tube improves heat transfer coefficient more significantly compared with oil cooler with outer finned tube, but is accompanied by a higher pressure drop. With Reynolds number increasing, the comprehensive performance of oil cooler with trefoil screwed expansion tube is better gradually than the oil cooler with outer finned tube , which means that oil cooler with trefoil screwed expansion tube has good application prospect.

oil cooler; trefoil pipe; heat transfer enhancement; comprehensive performance

0253- 4339(2015) 01- 0107- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.107

2014年4月18日

TK172; TQ051.5

A

黃媛媛，女，碩士研究生，華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，15901871622，E-mail: yyhuang111@126.com。研究方向：高效節(jié)能設(shè)備與強(qiáng)化傳熱研究。