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      縱向流雙面粗糙管混合管束換熱器研究

      點擊:1788 日期:[ 2014-04-26 22:44:56 ]
      吳家聲* 王慶均 屈仁均(武漢化工學院) 1 引言     近年來,各種新型高效換熱器以及強化傳熱管的研究在國內外得到很大的發展,人們想盡各種辦法實現強化傳熱,但歸結起來大致有以下幾種途徑:(1)改變傳熱面的形狀;(2)在傳熱面上或傳熱流路徑內設置各種形狀的湍流增進器或插入物;(3)強化殼程傳熱。但如何更進一步提高換熱器的生產能力,減少阻力損失及動力消耗,使之結構更緊湊、制造更簡便,在保證獲得較小壓降的同時,獲得更大的傳熱效率方面我們進行了一定的探討?!?   目前,國內外學者對粗糙管壁面強化傳熱進行了大量研究,但對雙面粗糙管強化傳熱以及雙面粗糙管與光管組成的混合管束的傳熱研究,尚未見報道。本文按照強化傳熱效果最好的原則,選取一定相對粗糙度和粗糙點間距,設計制造出縱向流雙面粗糙管光管混合管束換熱器,并對其進行了冷膜與熱膜試驗,探求了該種換熱器流體阻力、傳熱效率以及綜合性能指標α/ΔP與Re的關系。同時還對光管管束、雙面粗糙管管束及其混合管束進行了對比與評價。2 試驗研究     本文是在對雙面粗糙管、光管混合管束換熱器的傳熱,特別是管程的傳熱及壓力降進行的理論研究基礎上,自行設計了加工雙面粗糙管的模具,并用該模具成功地壓制出了高效雙面粗糙管,在自行設計和安裝的縱向流雙面粗糙管換熱器試驗裝置上進行了實驗研究?!?   本課題充分考慮并研究了在評價強化傳熱效果時的經濟性、安全性、制造和安裝工藝、運行可靠性以及維護是否方便等因素?!?   試驗裝置與流程如圖1所示。          本試驗系統由六大部分組成:  (1)電加熱器:控制管程氣體溫度的升降?! ?2)鼓風機:系統中用2個鼓風機,一個鼓風機產生的空氣經加熱后流經管程后釋放,另一個鼓風機產生的空氣直接流經殼程后釋放?! ?3)換熱器殼體:如圖1所示,在殼體上設有冷、熱流體的進、出口,在冷熱氣體進出口處按要求設氣體溫度與壓降測試點?! ?4)測試系統:冷、熱氣體流量分別用渦輪流量計與風速儀測量;在線溫度測量儀有4個傳感器,分別接入冷熱流體進口與出口;管程與殼程壓力差各用一U型壓差計測量?! ?5)管板與壓板:對管板的設計,這里只根據布管情況進行考慮。本試驗布管是按正方形排列,并按TEMA規定進行設計的?! ?6)作試件用的管束:  其一,粗糙管內換熱系數與粗糙度有關,粗糙度增大,換熱系數亦必定增大。這可從流體在粗糙壁面上的流動變化來解釋。對于湍流,層流底層的厚度小于粗糙點平均高度,流體流過粗糙點時,會產生局部分離(脫體)流動,分離流引起的旋渦使層流底層減薄,換熱得到增強,而對于層流,層流底層厚度遠大于粗糙點平均高度,流體流過粗糙點時不產生分離,從而顯現出換熱與粗糙度無關,這時的粗糙管與光滑管沒什么差別?! ∑涠?換熱效率也與粗糙點的間距大小有關。如果粗糙點的間距過大,液體在通過脫離區重新到達傳熱面后,由于沒有得到后面粗糙肋及時的繼續擾動,在傳熱面上將形成層流底層并逐漸增厚,因而使傳熱強化的效果降低。相反,由于粗糙點的間距過小,流體在經過粗糙肋時發生的旋渦不能充分發展,渦流減弱,難以起到很大的增強傳熱的作用?!?   綜上所述,按最佳傳熱效果原則,我們取e/δb≈9,t/e≈10,其中δb為層流底層厚度(mm)?! 〗涍^計算,得絕對粗糙度e=3mm,粗糙點間距t=30mm?! ?本試驗研究分為兩部分:一部分為流體阻力試驗,即冷膜試驗;另一部分為傳熱試驗,即熱膜試驗。同時,分別對光管管束、雙面粗糙管管束、光管與雙面粗糙管組成的混合管束三種情況進行了測試,探求換熱器流體阻力系數f、努塞爾特數Nu、綜合性能指標α/ΔP與雷諾數Re的關系,進而對其進行分析與評價?! ?  為了驗證本試驗裝置的可靠性,先做了無折流板光管換熱器的傳熱試驗,然后將試驗結果與理論計算值進行比較,實驗值與理論值吻合較好,說明本試驗裝置正常、合理、可靠。為了確保試驗的密封性,每次拆裝管束后都進行了試漏工作,在密封性符合要求后才開始進行流阻與傳熱測試?! ∮捎谏a上目前廣泛使用的內導流筒結構減少了布管數量,增加E流路旁流,為此,本試驗裝置采用外導流筒結構,它不僅可防止換熱器入口處的沖擊而使流體分布均勻,同時,進口段管束的傳熱面得到了充分利用,減少了死區,防止了流體在進口段引起的振動。外導流筒對均布換熱器殼程流體提高傳熱效率、降低阻力亦有重要作用,它還兼具一定的膨脹節作用,可承受部分軸向溫差載荷。 3 實驗結果及討論   3.1 傳熱膜系數(α)與努塞爾特數(Nu)       實驗數據采用回歸方法進行處理,不論是光管管束、混合管束,還是雙面粗糙管管束,其管程與殼程的傳熱膜系數(α)與努塞爾特數(Nu)均隨雷諾數(Re)增加而增大,混合管束的管程與殼程的α與Nu明顯高于光管管束?!? 3.2 壓力降與阻力系數     試驗結果表明,粗糙管束的壓力降與阻力系數明顯大于光管管束與混合管束的,而混合管束的又明顯大于光管管束的。 3.3 綜合性能指標評價     根據實驗數據進行計算和線性回歸,可得綜合性能指標α/ΔP與Re的關系。結果表明,雙面粗糙管混合管束的綜合性能指標優于光管管束?!?3.4 實驗準則關系對比表     實驗準則關系對比表見表1。 4 結論     (1)與光管管束相比,混合管束管程的傳熱膜系數平均提高37%左右,殼程傳熱膜系數平均提高40%左右?! ?  (2)在傳熱膜系數提高的同時,與光管管束相比,混合管束的阻力系數也提高了,其管程平均提高28%左右,殼程平均提高18%左右。     (3)隨雷諾數的增加,管程與殼程的傳熱膜系數增加得更快,但其阻力系數也增加得快。另外,在混合管束中隨雙面粗糙管管數的增加,其管程與殼程的傳熱膜系數與阻力系數均增加,因而換熱器的總傳熱效率提高。在限定壓降(阻力系數增加不多)情況下,雙面粗糙管、光管混合管束換熱器能大大提高傳熱系數,且能夠同時增強管程與殼程傳熱效率。     (4)縱向流雙面粗糙管混合管束換熱器采用了管子自支承(僅用管箍),節省材料和設備投資,具有結構緊湊、易于加工、適用范圍廣的優點,使之具有強大的生命力?!?   (5)對于雙面粗糙管與光管組成的混合管束的傳熱與壓降的研究,還有大量的工作有待進一步探討和完善,例如,用其它材料制成的管束用于其它生產介質中,這方面的研究也是很有實用價值的。
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