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        換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶的阻力及轉(zhuǎn)動特性研究*

        2012-12-18 06:12:38詹三江林清宇馮振飛孫瑞娟
        化工裝備技術(shù) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:熱管內(nèi)置寬度

        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。

        [1]朱冬生,卜穗安,譚盈科.管殼式換熱器的防垢、強化傳熱技術(shù) [J].海湖鹽與化工,1993,14(1):19-30.

        [2]張紅,楊峻,莊駿.熱管節(jié)能技術(shù) [M].北京:化學工業(yè)出版社,2009.

        [3]崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

        [4]趙海全,林清宇,林榕端,等.換熱管內(nèi)置塑料扭帶阻力及轉(zhuǎn)動特性的試驗研究 [J].裝備制造技術(shù),2008,11:7-9.

        [5]易凱,林清宇,林榕端,等.上行換熱管內(nèi)寬型扭帶的轉(zhuǎn)動特性實驗研究設(shè)計 [J].化工科技,2009,17(2): 10-13.

        [6]林清宇,李培寧,林榕端.換熱管內(nèi)微型液輪機研究[J].機械工程學報, 2001, 37 (7): 41~43.

        [7]Murugesan P,Mayilsamy K,Suresh S,et al.Heat transfer and pressure drop characteristics in a circular tube fitted with and without V-cuttwisted tape insert [J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2011,38:329-334.

        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)

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