洪文鵬 金明亮 牛國慶

(東北電力大學能源與動力工程學院)

當前石油化工領(lǐng)域中，換熱器設(shè)備在余熱回收、精餾塔塔前預熱、塔頂冷凝冷卻及塔底再沸等方面應(yīng)用非常廣泛[1]。管殼式換熱器是化學工業(yè)的主要換熱設(shè)備之一，具有高度的可靠性和廣泛的應(yīng)用性[2]，但存在低溫腐蝕問題。為了解決酸露點腐蝕問題，聚四氟乙烯換熱器應(yīng)運而生，并得到了迅速發(fā)展[3]。聚四氟乙烯小尺度管殼式換熱器具有高換熱面積、高體積比、強抗腐蝕性、防污塞、流動阻力小、柔韌性好及價格低廉等諸多優(yōu)點[4]。近年來，小尺度管殼式換熱器已經(jīng)成為換熱器基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題之一，國內(nèi)外多位學者通過實驗和數(shù)值仿真對換熱器流體橫掠管束的傳熱、阻力系數(shù)和管束間流型進行了大量研究。

在實驗方面：何國庚等對不同管排數(shù)的翅片管空氣冷卻器風側(cè)阻力特性進行了實驗研究，并將實驗結(jié)果與空氣冷卻器常用風阻計算公式的計算結(jié)果進行了對比分析[5]；李慶領(lǐng)和郭玉玲對設(shè)有叉排橢圓棒束的矩形通道內(nèi)換熱和流阻特性進行了實驗研究，通過對通道的總體平均放熱系數(shù)和阻力系數(shù)進行計算，得到了實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)兩種管束的實驗結(jié)果[6]；Lu G D等通過改變螺旋管束和光滑管束的橫向、縱向管間節(jié)距比進行了對比實驗，得到了相應(yīng)條件下的傳熱特性和阻力系數(shù)[7]。

在數(shù)值模擬方面：洪文鵬等針對小尺度管殼式換熱器管間距直接影響換熱效果的問題，利用CFD軟件Fluent分別對3種不同結(jié)構(gòu)管束的管程流場和殼程流場流動進行了仿真，得到了小尺度管束在不同結(jié)構(gòu)下的流場、壓力場和渦量場的分布[8～10]。何法江和曹偉武在不同入口流速下，對空氣橫掠錯列翅片管束的流動和傳熱性能進行了數(shù)值模擬，得到了湍流條件下的努塞爾準則數(shù)、歐拉準則數(shù)與雷諾準則數(shù)之間的關(guān)系式[11]。

但對小尺度聚四氟乙烯管殼式換熱器的實驗研究還很少。筆者通過風洞實驗，采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量了不同雷諾數(shù)下，空氣橫掠順列、錯列管束的兩端差壓波動信號，對小尺度管殼式換熱器殼側(cè)阻力的特性進行了研究。

1 實驗裝置及方法

實驗是在自行設(shè)計搭建的截面81mm×81mm的矩形吸氣式直流風洞中進行的，該實驗裝置主要包括風洞本體和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。

風洞本體包括穩(wěn)定段、收縮段、測試段、實驗段、擴散段、連接段和離心式吸風機(圖1)。實驗過程中，常溫空氣由風洞雙曲線吸風口進入，經(jīng)蜂窩器和阻尼網(wǎng)整流進入實驗段，最后由離心風機出口排出。風機風速可通過調(diào)速開關(guān)進行無級調(diào)速，以達到改變實驗工況的目的。

圖1 矩形吸氣式直流風洞結(jié)構(gòu)簡圖

動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由皮托管、微差壓變送器、鉑熱電阻、溫度變送器、250Ω標準電阻板、24V恒壓電源、數(shù)據(jù)采集儀和微型計算機組成。皮托管為LPT-04-200型標準皮托管；微差壓變送器為美國alpha公司生產(chǎn)的測量精度為0.4%，量程為±250Pa和±1.5kPa的變送器；溫度變送器為SBWZ型溫度變送器，測量精度為0.5%；數(shù)據(jù)采集儀為IDTS-4516U型16通道采集儀。

實驗段是由厚度為4mm的有機玻璃板組成的截面尺寸為81mm×81mm的矩形通道(圖2)，長200mm，在內(nèi)部分別布置P/D=1.5的10mm×10mm順列結(jié)構(gòu)和錯列結(jié)構(gòu)管束。其中，小尺度聚四氟乙烯光滑圓管的外徑D為6mm，長為81mm。

圖2 實驗段管束布置示意圖

實驗過程中，首先選取某一結(jié)構(gòu)管束作為風洞實驗段進行安裝。檢查測量儀器和風洞密封情況，確認無誤后，通過風機調(diào)速開關(guān)，調(diào)整風機功率大小，改變實驗段前來流速度。風機功率由小到大依次增加，共改變6次風機功率。

每改變一次風機功率，在實驗段前的測試段上，使用皮托管配合±250Pa微差壓變送器對實驗段入口風速進行測量。風速測量值按皮托管同一測點的不同插入深度取平均值，每個工況共取5個測點。在實驗段入口使用鉑熱電阻配合SBWZ型溫度變送器對入口空氣溫度進行測量，以對皮托管進行溫度補償?shù)哪康?。在實驗段前后測試段的有機玻璃板四壁開小孔取壓，配合±1.5kPa微差壓變送器測量空氣流經(jīng)實驗段的壓力損失。當各個測量儀器讀數(shù)穩(wěn)定時，通過計算機上的Dasview 2.0軟件界面，記錄下動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀所采集到的各儀器測量結(jié)果相對應(yīng)的電壓值。一組實驗結(jié)束后，更換實驗段，重復上述實驗步驟，完成實驗內(nèi)容。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

不同工況下風洞內(nèi)氣體密度的計算式為：

(1)

式中Ba——大氣壓力，Pa；

ps——測量斷面內(nèi)氣體靜壓，Pa；

ts——測量斷面內(nèi)氣體平均溫度，℃；

ρn——標準狀態(tài)下氣體密度，kg/m3；

ρs——測試工況下氣體密度，kg/m3。

風洞內(nèi)來流速度為：

(2)

式中Kp——皮托管修正系數(shù)；

pd——測定點氣體動壓，Pa；

Vs——測定點流速，m/s。

管束當量直徑的計算式為：

(3)

式中A——有效截面積，m2；

De——管束的當量直徑，m；

χ——濕周，m。

管外雷諾數(shù)的計算式為：

(4)

式中Re0——管外雷諾數(shù)；

Smax——測試段風道面積，m2；

Smin——管束最窄通道截面積，m2；

Vmax——管束最窄截面處的流速，m/s；

ν0——空氣運動粘度，m2/s。

由此可得，空氣橫掠管束的無量綱阻力準則數(shù)為：

(5)

式中Eu0——管外歐拉數(shù)；

Δp0——實驗段兩端壓降，Pa。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

對動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀所采集的電壓信號進行處理，可以得到順列、錯列管束各工況的實驗段入口靜壓、皮托管測點動壓、管束兩端壓降和風洞入口空氣溫度。將處理過的實驗數(shù)據(jù)代入式(1)～(5)進行計算，最后可以得到相應(yīng)流速下順列、錯列管束對應(yīng)的雷諾數(shù)和歐拉數(shù)(表1)。

表1 不同流速下兩種管束的實驗結(jié)果

3.2 實驗分析

根據(jù)實驗結(jié)果可以得到順列、錯列管束在不同來流速度下，實驗段兩端壓降和歐拉數(shù)隨雷諾數(shù)的變化曲線，即Δp0-Re0曲線和Eu0-Re0曲線(圖3、4)。

從圖3可以看出，兩種結(jié)構(gòu)管束的壓降都隨著雷諾數(shù)的增加而增大，而且錯列管束壓降大于順列管束壓降，這說明增大流速的同時也增加了介質(zhì)的流動阻力。由于管束錯列布置時，空氣在管束間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，累加的壓力損失大于順列管束使風機功耗增加，換熱經(jīng)濟性較差。但錯列管束便于緊湊布置，在相同的空間內(nèi)可以布置更多的管子，有效地增加了換熱面積。

從圖4可以看出，兩種結(jié)構(gòu)管束的歐拉數(shù)都隨著雷諾數(shù)的增加而增大，并在相同的節(jié)距比下，錯列管束的歐拉數(shù)明顯大于順列管束的歐拉數(shù)。因此，橫掠小尺度光滑圓管管束的阻力和阻力系數(shù)除了與來流速度有關(guān)外，還與管束的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。

為了更好地研究小尺度管殼式換熱器殼側(cè)阻力的特性，筆者對順列、錯列管束的流動阻力實驗數(shù)值與相關(guān)文獻中殼程阻力計算公式所計算的理論數(shù)值進行了比較。文獻[12]中橫流沖刷光管管簇阻力的計算式為：

圖3 兩種管束壓降隨雷諾數(shù)變化曲線

圖4 兩種管束歐拉數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線

(6)

式中 Δh——橫流沖刷光管管簇的阻力，Pa；

ω2ρ/2——動壓，Pa，按管簇截面面積、空氣平均溫度計算流速ω和密度ρ；

ζ——管束的阻力系數(shù)，與管簇的構(gòu)造形式有關(guān)。

把實驗兩種結(jié)構(gòu)管束的實驗值與按文獻[12]計算的理論數(shù)值進行比較，繪得Δp0-Re0曲線和Eu0-Re0曲線(圖5、6)。

圖5 管束壓降隨雷諾數(shù)變化對比結(jié)果

圖6 管束歐拉數(shù)隨雷諾數(shù)變化對比結(jié)果

從圖5、6可以看出，按文獻[12]計算的理論數(shù)值與實驗數(shù)值相比具有一定的差別。在圖5中，兩種結(jié)構(gòu)管束的壓降隨雷諾數(shù)變化趨勢相同，但按文獻[12]計算的理論數(shù)值明顯高于實驗值。在圖6中，兩種結(jié)構(gòu)管束的歐拉數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢卻出現(xiàn)了相反的情況，實驗結(jié)果的歐拉數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而增大，而按文獻[12]計算的歐拉數(shù)卻隨雷諾數(shù)的增加而減小。

由此可知，在實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)，適用于計算常規(guī)尺度橫掠光滑圓管管束的流動阻力公式，不能為小尺度管殼式換熱器殼側(cè)阻力的計算提供準確參考。將表1的實驗結(jié)果按Eu=CRem進行對數(shù)線性回歸[13]，得到順列結(jié)構(gòu)和錯列結(jié)構(gòu)管束在實驗工況下的阻力特性關(guān)聯(lián)式：

順列管束Eu=0.0003759Re0.89694

(7)

錯列管束Eu=0.0309386Re0.44232

(8)

4 結(jié)論

4.1在相同節(jié)距比下，小尺度管殼式換熱器順列管束、錯列管束的殼側(cè)壓降和歐拉數(shù)都隨雷諾數(shù)的增加而增大。但是，錯列管束的壓降和歐拉數(shù)明顯大于順列管束的實驗值。

4.2實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)，適用于計算常規(guī)尺度橫掠光滑圓管管束的流動阻力公式，不能為小尺度管殼式換熱器殼側(cè)阻力的計算提供準確參考。

4.3通過對實驗數(shù)據(jù)進行對數(shù)線性回歸，得到了錯列、順列管束在實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)的阻力特性實驗關(guān)聯(lián)式。

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