詹三江 林清宇 馮振飛 孫瑞娟

（廣西大學化學與化工學院)

換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶的阻力及轉(zhuǎn)動特性研究*

詹三江**林清宇 馮振飛 孫瑞娟

（廣西大學化學與化工學院)

將18種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的鋁制扭帶分別置入換熱管進行實驗，研究并分析了換熱管內(nèi)置開三角形邊槽扭帶的阻力和轉(zhuǎn)動特性。實驗結(jié)果表明，插入開邊槽扭帶后管內(nèi)的流動阻力和轉(zhuǎn)動性能都有較大的提高，扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y、扭帶寬度D和邊槽結(jié)構(gòu)是影響壓降和轉(zhuǎn)速的主要因素。通過多元線性回歸分析，得到了相應(yīng)的壓降Δp關(guān)聯(lián)式和轉(zhuǎn)速n關(guān)聯(lián)式。實驗表明，開邊槽結(jié)構(gòu)具有強化扭帶轉(zhuǎn)動特性的應(yīng)用價值。

換熱管 強化傳熱 開邊槽扭帶 壓降 轉(zhuǎn)動特性 換熱器

0 前言

在制糖、造紙和制鹽等的蒸發(fā)工藝生產(chǎn)中，其加熱過程普遍存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，而污垢的導熱系數(shù)還不足碳鋼的十分之一，因此污垢的存在必然會嚴重降低換熱的總傳熱系數(shù)，大大削弱傳熱的效果[1]。我國 “十一五”規(guī)劃提出了單位GDP能耗和主要污染物排放物總量比 “十五”期末分別降低20%和10%左右的約束性指標[2]。換熱管內(nèi)置扭帶就是一種行之有效、適用范圍很廣的強化傳熱技術(shù)，且扭帶的旋轉(zhuǎn)還起到在線除垢和防垢的作用。扭帶的加工制造方便，成本低，特別適用于舊設(shè)備的翻新改造及新型換熱器的設(shè)計[3]。

本文在光滑扭帶的基礎(chǔ)上研究并分析了開三角形邊槽的扭帶其阻力和轉(zhuǎn)動特性，這種新結(jié)構(gòu)扭帶其折起的槽片能將流體的動力更有效地轉(zhuǎn)化為使扭帶旋轉(zhuǎn)的力矩，因此在相同的流體流量下，開邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速更快。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備裝置及流程簡述

實驗系統(tǒng)的主要裝置如圖1所示，其中實驗工段的換熱管長3 000 mm，管程是?42 mm×2.5 mm無縫鋼管，管內(nèi)的介質(zhì)是自來水。水泵將蓄水槽中的冷流體輸進管道，流體在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥和一段上行管道后，進入管內(nèi)安裝有扭帶的下行換熱套管，最后經(jīng)過緩沖管后排出管道。流體流量的大小通過型號為IFM4080K電磁式流量計來測量；試驗段的壓降由U型管水銀壓差計測量；扭帶的上端貼有反光帶，由型號為SZG-441B手持式轉(zhuǎn)速測量儀通過視鏡測出扭帶的轉(zhuǎn)速。

圖1 實驗流程

1.2 扭帶的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

實驗采用易加工成型、密度小且具有良好的耐腐蝕性的鋁片作為扭帶的制作材料，扭帶的厚度為0.5 mm，長為3 000 mm。鑒于實驗室的加工條件限制和為了保證扭帶結(jié)構(gòu)的精度，故將每條扭帶分3段制作并用連接環(huán)將扭帶連接起來。開邊槽扭帶的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要參數(shù)有槽距H(扭轉(zhuǎn)180°的軸向距離)、扭帶寬度D、扭轉(zhuǎn)比Y （Y=H/D）和槽口的角度β，槽口的深度為10 mm。為了有效地對比分析，本文對18種不同規(guī)格的扭帶分別進行了實驗。不同規(guī)格扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，扭帶的編號為D-Y-β （即寬度-扭轉(zhuǎn)比-角度）。

圖2 開三角形邊槽扭帶的結(jié)構(gòu)

表1 不同規(guī)格扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 相同扭帶寬度下不同扭轉(zhuǎn)比扭帶的壓降Δp和流速u的關(guān)系

2 實驗結(jié)果分析

2.1 阻力特性分析

換熱管內(nèi)置扭帶后，不可避免地使流動阻力增加，對實驗數(shù)據(jù)處理得到壓降Δp和流速u的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，實驗工段的壓降Δp均隨著流速u的增大而增大。在相同的D、u情況下，光滑扭帶和開60°邊槽的扭帶的壓降Δp均隨著扭轉(zhuǎn)比Y的減小而逐漸增大，與空管數(shù)據(jù)作比較，光滑扭帶的壓降Δp提高了5.3%～62.2%；開60°邊槽的扭帶的壓降Δp提高了7%～83.1%。在相同的D、Y、u情況下，相對于光滑扭帶，開60°邊槽的扭帶的壓降Δp提高了17.18%～68.88%。綜合分析可知，扭轉(zhuǎn)比越小，流體在流動過程中被旋轉(zhuǎn)、被切割的次數(shù)也就越多，使得流動受阻；而開邊槽扭帶因為折邊的擾流作用，所以壓降Δp也相應(yīng)比光滑扭帶大。

由圖4可知，在相同的扭轉(zhuǎn)比Y和流速u下，壓降Δp隨著扭帶寬度D的增大而增大，型號22-5.0扭帶比型號20-5.0扭帶的壓降Δp提高了0.3%～11.1%；型號 22-5.0-60°扭帶比型號 20-5.0-60°扭帶的壓降Δp提高了4.5%～12.1%。分析可知，在管壁粗糙度相同的情況下，扭帶寬度D越大，流體的流通面積就越小，因此在實驗范圍內(nèi)壓降就會相應(yīng)有所增大。

圖4 相同扭轉(zhuǎn)比下不同寬度扭帶的壓降Δp和流速u的關(guān)系

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶后的壓降Δp、流速u及扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學模型：

上式的適用范圍：換熱管內(nèi)徑di=37 mm，扭帶寬度D=20～22 mm，扭轉(zhuǎn)比 Y=5.0～7.0，流體流速 u=0.065～1.304 m/s。

2.2 轉(zhuǎn)動特性分析

對熱態(tài)實驗數(shù)據(jù)處理得到流速u與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，不同結(jié)構(gòu)扭帶的轉(zhuǎn)速n均隨著流速u的增大而變大，且扭帶的起轉(zhuǎn)流速在0.33～0.46 m/s之間。在相同的寬度D和流速u下，開60°邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速n比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速n提高了16.13%～113.5%。由圖6可知，在相同的扭轉(zhuǎn)比Y和槽口角β下，扭帶的轉(zhuǎn)速n隨著寬度D增大反而降低，型號20-7.0-60°的扭帶其轉(zhuǎn)速n比型號22-7.0-60°的扭帶提高了25%～90.8%。

圖5 相同寬度不同扭轉(zhuǎn)比時轉(zhuǎn)速n和流速u的關(guān)系

圖6 相同扭轉(zhuǎn)比不同寬度扭帶的轉(zhuǎn)速n和流速u的關(guān)系

綜合上述分析可知： （1）扭帶上折起的槽片能將流體的動力更有效地轉(zhuǎn)化為使扭帶旋轉(zhuǎn)的力矩，因此在相同的流體流量下，開邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速更快。 （2）由于扭帶在轉(zhuǎn)動的時候會隨機地擺動，扭帶寬度D越大，其與換熱管內(nèi)壁的接觸幾率就越大，導致其在管內(nèi)的摩擦阻力也就越大，從而影響其高速旋轉(zhuǎn)。

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶后的轉(zhuǎn)速n、流速u及扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學模型：

上式的適用范圍：換熱管內(nèi)徑di=37 mm，扭帶寬度D=20～22 mm，扭轉(zhuǎn)比Y=5.0～7.0，流體流速 u=0.065～1.304 m/s。

3 結(jié)論

（1）實驗工段的壓力降Δp隨著流速u增大而增大。扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y和扭帶寬度D是影響壓降Δp的主要因素，D越大，Δp也越大；Y越大，Δp越小。

（2）扭帶的轉(zhuǎn)速n隨著u增大而增大，扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y和邊槽結(jié)構(gòu)是影響轉(zhuǎn)速n的主要因素。Y越小，n越大，開邊槽的扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速提高16.13%～113.5%。

（3）在實驗條件下，通過多元線性回歸分析，得到了相應(yīng)的壓降Δp和轉(zhuǎn)速n的關(guān)聯(lián)式，可供工程參考和選用。實驗證明，換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶能有效強化扭帶的轉(zhuǎn)動性能。

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Rotational and Resistance Characteristics in a Circular Tube Fitted with Triangular Groove Twisted-tape Insert

Zhan Sanjiang Lin Qingyu Feng Zhenfei Sun Ruijuan

In order to study and analyze the rotational and resistance characteristics in a circular tube fitted with triangular groove twisted-tape insert,this paper took 18 twisted-tapes with different structural parameters setting into the heat transfer tubes and proceeded experiments.The results of experiments showed that the rotational capability of twisted-tape and the pressure drop of heat transfer tubes have grate improve after triangular groove twisted-tape insert.The pressure drop equation and rotation equation were obtained by multiple linear regression analysis.The experiments indicate that the rotational capability of triangular groove twisted-tape is good.

Heat transfer tube;Heat transfer enhancement;Triangular groove twisted-tape;Pressure drop;Rotational capability；Heat exchanger

TQ 051.5

*廣西科學基金項目 （桂科青0447005），廣西大學基金項目。

**詹三江，男，1987年生，碩士研究生。南寧市，530004。

2011-09-09）