吳 私 李春蘭 王 森

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

符號(hào)說明

a——橢圓管長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，m；

A——換熱管表面積，m2；

b——橢圓管短半軸長(zhǎng)度，m；

Cp——流體比熱，kJ/(kg·K)；

CpD——定性溫度下流體的比熱，kJ/(kg·K)；

d——管徑，m；

de——管程當(dāng)量直徑，m；

De——?dú)こ坍?dāng)量直徑，m；

G——流體質(zhì)量流速，kg/(m2·s) ；

h——膜傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

n——換熱管數(shù)；

Pr——普朗特常數(shù)；

q——流體體積流量，m3/s；

Q——流體熱負(fù)荷，kJ/s；

r——管壁污垢熱阻，K·m2/ W；

rp——管內(nèi)壁熱阻，K·m2/ W；

R——?dú)んw內(nèi)半徑，m；

Re——雷諾數(shù)；

S——流通面積，m2；

t1——冷水入口溫度，℃；

t2——冷水出口溫度，℃；

T1——熱水入口溫度，℃；

T2——熱水出口溫度，℃；

TD——流體定性溫度，℃，TD=(T1+T2)/2；

u——流體流速，m/s；

W——流體質(zhì)量流率，kg/s；

Δp——壓降，MPa；

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫差，℃；

α——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

μ——粘度，Pa·s；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

λD——定性溫度下流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

下標(biāo)：

i，o——管內(nèi)、管外參數(shù)。

管殼式換熱器在能源化工、冶金、食品及造紙等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的提高，對(duì)設(shè)備的換熱效率要求也越來越苛刻，強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱器的研究中變得越發(fā)重要，但這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施存在一個(gè)幾乎難以避免的問題，即傳熱效率的強(qiáng)化提高是以流動(dòng)阻力的增加為代價(jià)，甚至存在流動(dòng)阻力的增幅到一定程度，相對(duì)提高的傳熱效率已失去意義的現(xiàn)象，反而帶來更大的技術(shù)難題或經(jīng)濟(jì)損失。如何在強(qiáng)化換熱的同時(shí)使流動(dòng)阻力也保持在較低的狀態(tài),是目前強(qiáng)化換熱技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，因此,高效低阻強(qiáng)化換熱元件的開發(fā)和研究具有重要意義[2]。

改變管殼式換熱器的傳熱管形狀和增設(shè)折流板是強(qiáng)化設(shè)備傳熱性能的重要手段[3,4]。在管殼式換熱設(shè)備的傳熱性能研究過程中，對(duì)由圓管組成的換熱設(shè)備管束研究最多，對(duì)強(qiáng)化效果明顯的自支撐結(jié)構(gòu)的扭曲扁管式管束的研究也較為深入，而對(duì)由圓管過渡到扭曲扁管的中間狀態(tài)——橢圓管的研究卻很少。筆者為了較為深入的研究橢圓管的傳熱性能，組裝了橢圓管式換熱設(shè)備管束，搭建換熱設(shè)備傳熱性能和流阻性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與圓管組成的弓形折流板換熱器和40°螺旋折流板換熱器進(jìn)行了對(duì)比。

1 換熱器結(jié)構(gòu)形式

本實(shí)驗(yàn)中研究3種結(jié)構(gòu)的換熱器：弓形折流板換熱器、螺旋折流板換熱器和橢圓管換熱器，3種換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 3種換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3種換熱器均為雙管程，由40根管排列而成，殼體也相同。不同的是弓形折流板和螺旋折流板換熱器的管束均采用圓管，管子的規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm×3 000 mm，以正方形旋轉(zhuǎn)45°方式排列而成。橢圓管換熱器管束采用的是橢圓管，其長(zhǎng)軸12.52mm，短軸5.11mm。橢圓管以90°方形節(jié)距排列。橢圓管和圓管的材料均為10#無縫鋼管。

橢圓管換熱器殼程不設(shè)置折流板，管束由數(shù)個(gè)支撐圈固定。由于橢圓管管束均是由規(guī)格為φ25 mm×2.5 mm×3 000 mm的圓管壓制而成，故橢圓管管束與圓管管束的傳熱面積相同，區(qū)別僅在于管子的橫截面形狀和尺寸。因此，該實(shí)驗(yàn)是在換熱器殼體直徑和傳熱面積相同的條件下進(jìn)行的傳熱性能和流體阻力的研究。

2 傳熱實(shí)驗(yàn)流程

換熱實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的是水-水的換熱實(shí)驗(yàn)，熱水走管程，冷水走殼程。溫度計(jì)分別設(shè)置在換熱器殼程和管程的進(jìn)、出口，分別測(cè)量流經(jīng)殼程和管程的冷熱流體溫度。壓力表分別安裝在換熱器殼體的進(jìn)、出口處，用于測(cè)量殼程進(jìn)出、口間的壓降。用泵為兩種流體介質(zhì)提供輸送動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)有轉(zhuǎn)子流量計(jì)，流量大小由閥門控制。使用電加熱器將水加熱到實(shí)驗(yàn)溫度，啟動(dòng)保溫狀態(tài)，利用毛氈保溫，使熱水溫度在一定時(shí)間內(nèi)基本不變。觀察溫度計(jì)示數(shù)，待溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)熱水泵，將管程流體進(jìn)口流量調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期值，保持管程流體介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。

圖1 傳熱實(shí)驗(yàn)裝置流程

管程介質(zhì)熱水流量值定為6m3/h，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)隨時(shí)檢查保證其流量保持不變。啟動(dòng)冷水泵調(diào)節(jié)殼程冷水流量從小到大進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍2～11m3/h。實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量阻力性能和傳熱性能。測(cè)量換熱器殼程進(jìn)出、口間的壓力時(shí)，應(yīng)待壓力表示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值。測(cè)量流經(jīng)殼程和管程的冷熱流體的進(jìn)、出口溫度時(shí)，每次改變殼程冷水流量后，要讓換熱器運(yùn)行數(shù)分鐘，待溫度穩(wěn)定后再讀取溫度數(shù)據(jù)，同樣測(cè)量3次取平均值，判斷冷熱流體的換熱量，熱平衡誤差不能超過±10%，即冷熱流體換熱量應(yīng)接近，從而保持較高的換熱效率。

3 傳熱性能測(cè)試

3.1傳熱計(jì)算

在換熱器傳熱計(jì)算中，一般以熱流體的熱負(fù)荷作為總熱負(fù)荷值。

3.1.1以圓管為換熱管的傳熱計(jì)算

總熱負(fù)荷：

Qh=Wh·Cph·(T1-T2)

總傳熱系數(shù)：

本實(shí)驗(yàn)均為新設(shè)備，所以ri=ro=0。

根據(jù)換熱管材料及規(guī)格查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得到管內(nèi)壁熱阻rp，所以：

傳熱基本關(guān)系式：

Q=K·Ao·ΔTm

有效平均溫差：

管內(nèi)膜傳熱系數(shù)hi(Re>104)計(jì)算公式為：

hi=0.023Re0.8Pr1/3

普朗特常數(shù)：

查定性溫度下的流體物性數(shù)據(jù)：Cp，μ，λ值，可計(jì)算出hi值。將K、hi、rp、Ao、Ai代入：

可計(jì)算ho，即為殼程傳熱系數(shù)。

3.1.2以橢圓管為換熱管的傳熱計(jì)算

橢圓管內(nèi)徑、外徑均按其當(dāng)量直徑計(jì)算，其換熱流體Re的具體修正如下[5]：

管程：

殼程：

按3.1.1節(jié)的步驟計(jì)算橢圓管管外膜傳熱系數(shù)ho，即為殼程傳熱系數(shù)。

3.2傳熱測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中主要測(cè)試換熱器管程進(jìn)、出口溫度、管程流體流量、殼程進(jìn)、出口溫度、殼程流體流量和殼程壓力降。通過數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，得出3種換熱器在水-水換熱實(shí)驗(yàn)中殼程傳熱系數(shù)、壓降隨殼程流量變化曲線如圖2、3所示。

圖3 3種結(jié)構(gòu)換熱器殼程壓降隨殼程介質(zhì)流量變化曲線

3.3換熱器殼程性能分析

3.3.1傳熱性能與壓力降

由圖2、3可以看出，3種結(jié)構(gòu)換熱器的殼程傳熱系數(shù)α與殼程壓降Δp均隨著殼程流量的增大而增大，這種相同的變化趨勢(shì)是因?yàn)殡S著殼程流量的增大，提高了殼程流體介質(zhì)的湍流程度，使流體與管束及折流板的擾動(dòng)得以增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了傳熱效果，同時(shí)帶來殼程內(nèi)流體壓降也有所增大。

本實(shí)驗(yàn)中橢圓管是由圓管壓制而成，故相比圓管橫截面積更小，所占空間也更少。在換熱面積和殼體直徑相同的條件下，橢圓管換熱器殼程的流通面積和當(dāng)量直徑更大。因此，在殼程流量相同時(shí)，橢圓管換熱器殼程內(nèi)的流速相比于另外兩種換熱器更小，而且沒有折流板，沒有對(duì)殼程流體的折流增速作用，這樣有利于降低壓降，減小流動(dòng)阻力和動(dòng)力消耗，有利于提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益，但不利于傳熱?？梢姡龃髶Q熱器殼程介質(zhì)流量或減小殼程直徑和流通面積，均可顯著提高橢圓管換熱器殼程的傳熱系數(shù)。

比較3種結(jié)構(gòu)的換熱器，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，橢圓管換熱器殼程的傳熱系數(shù)較換熱性能相對(duì)低的弓形折流板換熱器降低了10%左右；橢圓管換熱器殼程壓降較壓降相對(duì)低的螺旋折流板換熱器降低了32%左右。

3.3.2綜合性能分析

換熱器的傳熱系數(shù)及管/殼程壓降等參數(shù)都是從能量利用的單一角度來衡量換熱器的性能，局限性大，不能全面評(píng)價(jià)一個(gè)換熱設(shè)備的綜合性能。采用流動(dòng)阻力損失與傳熱量相結(jié)合的傳熱性能評(píng)價(jià)方法[6]，即單位壓降下的傳熱系數(shù)α/Δp更為合理。圖4是3種結(jié)構(gòu)換熱器α/Δp在不同殼程體積流量下的變化趨勢(shì)。

圖4 3種結(jié)構(gòu)換熱器殼程綜合性能指標(biāo)α/Δp隨殼程介質(zhì)流量變化曲線

由圖4可以看出：橢圓管殼程的α/Δp較螺旋折流板換熱器提高28%以上。在換熱綜合性能方面，橢圓管優(yōu)于圓管，并且由于沒有折流板和運(yùn)行操作中振動(dòng)對(duì)換熱管的傷害，所以其制造與運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本也相對(duì)較低。

4 結(jié)論

4.1換熱性能優(yōu)劣次序?yàn)椋郝菪哿靼鍝Q熱器>弓形折流板換熱器>橢圓管式換熱器。

4.2殼程壓降由高到低次序?yàn)椋汗握哿靼鍝Q熱器>螺旋折流板換熱器>橢圓管式換熱器。

4.3綜合性能優(yōu)劣次序?yàn)椋簷E圓管式換熱器>螺旋折流板換熱器>弓形折流板換熱器。

[1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 矯明，徐宏，程泉.新型高效換熱器發(fā)展現(xiàn)狀及研究方向[J].化工裝備技術(shù)，2007，28(6)： 41～46.

[3] 錢頌文，岑漢釗，江楠，等. 換熱器管束流體力學(xué)與傳熱[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

[4] 肖洪.橢圓管與扁管管板式換熱器換熱性能的分析比較[J].節(jié)能技術(shù)，2006，24(3)：265～267.

[5] 張杏祥，魏國(guó)紅，桑芝富. 螺旋扭曲扁管換熱器傳熱與流阻性能試驗(yàn)研究[J].化學(xué)工程，2007，35(2)：17～20.

[6] 陸煜，程琳. 傳熱原理與分析[M]. 北京：科學(xué)出版社，1997.