劉宜仔，林清宇，馮振飛，何榮偉，朱 禮

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室，廣西 南寧 530004)

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，人類對能源需求不斷地提高。從1950年到現(xiàn)在，地球?qū)δ茉吹男枨笠呀?jīng)增長了2倍。據(jù)此，現(xiàn)在每年消耗的能量相當(dāng)于100億t石油[1]。研究分析顯示，各種能源的利用中，有80%需要通過熱量的傳遞與轉(zhuǎn)化，因此傳熱過程的強化技術(shù)能有效地提高能源的利用效率[2]。

換熱管內(nèi)插入扭帶作為一種內(nèi)插件式強化傳熱技術(shù)已在國內(nèi)外得到廣泛研究[3-6]。扭帶以成本低、制作工藝簡單、效果良好、特別適合舊設(shè)備的改造，并能同時實現(xiàn)在線防垢除垢而受到廣泛關(guān)注。近年來，扭帶技術(shù)的研究熱點主要集中在2個方面，一是可以實現(xiàn)換熱器在線除垢、抑垢的旋轉(zhuǎn)扭帶清洗技術(shù)的實驗研究和工業(yè)應(yīng)用，二是研究如何在最經(jīng)濟的驅(qū)動功率下，達到改造換熱設(shè)備時期望的傳熱效率提高率[7]。作者在原有光滑扭帶的基礎(chǔ)上開圓孔，同時使扭帶在不同位置正交交替錯開，研究正交交替錯開與開孔的組合型扭帶插入換熱管內(nèi)的阻力特性和傳熱特性，分析其強化傳熱的效果，為其應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1。

圖1 實驗系統(tǒng)流程示意圖

換熱器管程流通工質(zhì)為常溫冷水，殼程流通工質(zhì)為飽和水蒸氣。換熱管采用D42 mm×2.5 mm規(guī)格的無縫鋼管，有效長度為3 000 mm。為了在實驗過程中減少熱量損失，使得實驗數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，實驗時在殼程的外表面包裹一層約50 mm 厚度的玻璃纖維保溫層。冷水的流量采用IFM4080K的電磁流量計測量；換熱管進出口水溫采用TP3001電子溫度計測量；整個實驗裝置的壓降通過U型管水銀壓差計測量；殼程飽和水蒸氣的壓力由壓力表測量；換熱管內(nèi)插入自旋扭帶的轉(zhuǎn)速采用SZG-441B手持式轉(zhuǎn)速測量儀測量。

實驗中，水泵將儲水槽中的冷水輸入管道，冷水依次流經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥和電磁流量計，通過一段上行管道使得冷水流動穩(wěn)定后流入內(nèi)插有扭帶的下行立式換熱管，最后經(jīng)過一段倒U型狀的穩(wěn)壓管排出管道；另一方面，離心泵將另一儲水槽中的自來水輸入DZF電蒸氣發(fā)生器中加熱產(chǎn)生飽和水蒸氣，飽和水蒸氣通過包裹有保溫層的管道進入殼程給管程內(nèi)的冷卻水換熱，最后一并與管程內(nèi)被加熱的冷卻水經(jīng)過穩(wěn)壓管排出管道。

1.2 組合扭帶結(jié)構(gòu)與參數(shù)

組合扭帶結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 扭帶結(jié)構(gòu)示意圖

扭帶結(jié)構(gòu)形式主要為正交交替錯開與開圓孔組合一起的組合型扭帶，制作的材料選擇易于加工成型且密度小、耐腐蝕良好的鋁條。鋁條的厚度為0.5 mm，成型后的扭帶長度為3 000 mm。為加工方便，整條扭帶均分為3段加工完成，然后使用自制的連接件連接。其型號及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 組合扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 壓降分析

流體流動產(chǎn)生的阻力損失通常表現(xiàn)為換熱管進出口的壓降。為了直觀、清晰反映并分析內(nèi)插不同組合扭帶換熱管壓降的變化關(guān)系，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，得出相關(guān)壓降Δp與流體流速u的關(guān)系圖，見圖3～圖5。

內(nèi)插入不同扭帶換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖3。

由圖3可知，在相同流速下，扭帶的扭率越大，壓降反而減小。分析原因，扭帶的扭率越大，扭帶螺旋的程度越小，螺旋升角也變小，扭帶造成流體軸向流通的阻力越小，整體的壓降也變小。但是，從圖3中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著扭帶扭率的增大，其壓降減小并不是很明顯，最大流速時20-6-2-H扭帶的壓降相對于20-5-2-H扭帶的壓降僅減小2.4%，這說明扭帶的扭率變化對換熱管的壓降影響并不是很明顯。

u/(m·s-1)圖3 不同扭率扭帶的Δp-u關(guān)系圖

分別插入組合扭帶和開孔扭帶的換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖4。

由圖4可知，在相同流速下，20-6-2-H組合扭帶的壓降比20-6-H開孔扭帶壓降要大，最大流速下壓降提高了9.7%。相比于開孔扭帶，組合扭帶在結(jié)構(gòu)上將扭帶按一定錯開率進行了正交錯開，扭帶的正交錯開對換熱管的壓降的影響主要有2方面，一方面是扭帶錯開處的橫截面會直接阻礙流體的流通而造成的部分阻力損失；另一方面是扭帶的錯開使得流體在軸向方向的流動方向發(fā)生改變而產(chǎn)生阻力損失。這2方面的阻力損失疊加，最終使得內(nèi)插組合扭帶換熱管的壓降遠(yuǎn)大于內(nèi)插開孔扭帶換熱管的壓降，說明了扭帶的正交錯開對換熱管的壓降影響顯著。

u/(m·s-1)圖4 組合扭帶、開孔扭帶的Δp-u關(guān)系圖

內(nèi)插入不同錯開率組合型扭帶換熱管壓降與流體流速的關(guān)系圖見圖5。

u/(m·s-1)圖5 不同錯開率扭帶的Δp-u關(guān)系圖

由圖5可知，在相同流速下，換熱管壓降隨著扭帶錯開率的減小而增大。這是因為扭帶的總長度相同，錯開率越小，說明扭帶錯開的段數(shù)越多，流體在流動過程中流動方向的改變越頻繁，導(dǎo)致流體阻力損失增大，體現(xiàn)為換熱管的壓降增大。換言之，扭帶錯開段數(shù)越多，流體流通的阻力也越大。在流速最大時，20-5-2-H扭帶換熱管的壓降比20-5-4-H扭帶換熱管的壓降提高5.0%，說明扭帶的錯開率是影響內(nèi)插扭帶換熱管壓降的主要因素之一，這也進一步說明了扭帶的正交錯開對換熱管的壓降影響顯著。

綜合圖3～圖5，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著流體流速u的增大，換熱管壓降Δp的變化近似呈拋物線形式增大，插入扭帶的換熱管壓降大于空管的壓降。但是，流速較小時，扭帶管以及空管之間的壓降差距不是很明顯，而在大流速條件下，內(nèi)插扭帶換熱管的壓降明顯比空管的壓降大，其變化速度也大。分析主要的原因可知：小流速下的換熱管雖然由于扭帶的插入減小了流體的流通面積，使得壓降有一定的增大，但扭帶沒有轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)動速度較小，此時流體的阻力損失主要取決于換熱管內(nèi)壁面的粗糙度，對于空管或者扭帶管，換熱管內(nèi)壁面的粗糙度是相同的，所以其壓降的差距較??；當(dāng)流速增大時，扭帶的轉(zhuǎn)動速度不斷提高，使得流體因扭帶的快速轉(zhuǎn)動造成旋轉(zhuǎn)流和二次流而產(chǎn)生的阻力損失也不斷增大，導(dǎo)致整體的壓降有了明顯的提高，且增大的速度也比空管快，而不同型號的扭帶管之間的壓降差距主要體現(xiàn)為扭帶結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)與壓降存在著必然的聯(lián)系，摩擦系數(shù)是壓降的無量綱轉(zhuǎn)化。各扭帶管的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖見圖6。

Re圖6 扭帶的摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系圖

從圖6中可以知道，摩擦系數(shù)f隨著雷諾數(shù)Re的增大而減小，開孔扭帶的摩擦系數(shù)最小，錯開率小的扭帶摩擦系數(shù)比錯開率大的摩擦系數(shù)大，這說明了扭帶的正交錯開對摩擦系數(shù)有較大的影響，組合扭帶因為扭帶的正交錯開使得摩擦系數(shù)相比開孔扭帶平均提高約10.5%。相對而言，扭帶的錯開率對摩擦系數(shù)的影響又比扭率的影響要顯著，這跟壓降的變化規(guī)律是一致的。

2.3 傳熱特性分析

努塞爾數(shù)是表示對流換熱強烈程度的一個準(zhǔn)數(shù)，反映對流使給熱系數(shù)增大的倍數(shù)。采用Wilson圖解法[8]并利用Matlab編程計算得出不同雷諾數(shù)下相應(yīng)型號扭帶管的努塞爾數(shù)。其實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果繪制得到的換熱管努塞爾數(shù)Nu與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線圖見圖7。

從圖7中很明顯地看到，隨著雷諾數(shù)的增大，換熱管努塞爾數(shù)均增大；在相同雷諾數(shù)下，所有扭帶管的努塞爾數(shù)都明顯大于空管，且組合扭帶管的努塞爾數(shù)均大于開孔扭帶管，但對于各扭帶管之間的比較而言，其努塞爾數(shù)相對提高率并不明顯。數(shù)據(jù)分析顯示，在實驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)，與空管對比，扭帶管的努塞爾數(shù)平均提高13.01%～20.38%；與開孔扭帶管對比，組合扭帶管的努塞爾數(shù)平均提高0.67%～6.52%。

Re圖7 努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖

3 傳熱綜合性能評價

根據(jù)上述對換熱管阻力特性和傳熱特性的分析可知，換熱管內(nèi)插入不同型號的扭帶后，其努塞爾數(shù)都得到了不同程度的提高，但是插入的扭帶作用也同時增大了流體的流動阻力。因此單憑努塞爾數(shù)的提高來評價換熱管傳熱性能的優(yōu)劣與強化，明顯不符合當(dāng)前強化傳熱技術(shù)的要求。綜合性能評價因子的提出很好地解決了這個問題。采用綜合性能評價因子的方法，綜合考慮努塞爾數(shù)以及流動阻力等因素，對換熱管的傳熱性能進行綜合評估，是目前判斷換熱管傳熱強化的有效方法之一。綜合性能評價因子的評價準(zhǔn)則公式為[9]。

式中：Nu0、f0為空管對應(yīng)的努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)。

根據(jù)綜合性能評價因子的評價準(zhǔn)則，計算各扭帶換熱管的φ值，并繪制評價因子與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線圖，見圖8。

由圖8可知，換熱管內(nèi)插入扭帶的傳熱綜合性能評價因子φ都大于1，φ值最高達到1.16，組合扭帶管的φ值都明顯高于20-6-H的開孔扭帶管。這說明了換熱管內(nèi)插入扭帶后，傳熱性能確實得到了強化，并且組合扭帶對換熱管的傳熱強化效果明顯高于開孔扭帶。從總體上看，20-5-4-H組合扭帶管以及20-6-2-H組合扭帶管的φ值相對最大，傳熱綜合性能相對最好。從圖8中還可以看出，傳熱綜合性能評價因子φ值隨著雷諾數(shù)的增大逐漸趨近于1。這是因為流體隨著雷諾數(shù)的增大，其湍動程度逐漸增大，當(dāng)達到一定的湍動程度時，扭帶對管內(nèi)流體的湍動擾流作用相對于流體本身而言并不明顯，作用很小，故而傳熱強化效果很小，表現(xiàn)為評價因子φ值趨近于1。這也說明了換熱管內(nèi)插入組合扭帶的強化傳熱較為適用于小雷諾數(shù)工況下的流體，對雷諾數(shù)很大的工況流體傳熱強化效果并不明顯。

Re圖8 傳熱綜合性能評價因子與雷諾數(shù)的關(guān)系圖

綜上所述，在光滑扭帶的基礎(chǔ)上中間開圓孔，同時使扭帶在不同位置正交交替錯開，使得流體流經(jīng)圓孔處時產(chǎn)生漩渦，流體流經(jīng)錯開位置時流動方向發(fā)生改變，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)流體層流邊界層和熱邊界層的破壞程度大大提高，流體混合程度增大，從而增強了換熱效果。

4 結(jié) 論

作者對換熱管內(nèi)插入組合扭帶強化傳熱進行了實驗研究，并與開孔扭帶管和空管進行比較，分析了組合扭帶管、開孔扭帶管以及空管的壓降Δp、摩擦系數(shù)f和努塞爾數(shù)Nu的變化關(guān)系，同時采用傳熱綜合性能評價因子的方法對換熱管內(nèi)插入組合式扭帶和開孔扭帶進行強化傳熱綜合性能評估，得出以下結(jié)論。

(1) 換熱管壓降Δp隨流體流速u的增大近似呈拋物線形式增大，扭帶管壓降大于空管的壓降，組合扭帶管壓降大于開孔扭帶管的壓降；組合扭帶管壓降隨著扭帶扭率的增大而減小，隨著扭帶錯開率的減小而增大，但扭率對壓降的影響并不明顯，錯開率是影響壓降的主要因素；

(2) 換熱管的摩擦系數(shù)f隨流體雷諾數(shù)Re的增大而減小，且錯開率越小，摩擦系數(shù)越大；組合扭帶管的摩擦系數(shù)比開孔扭帶管平均提高10.5%；

(3) 換熱管努塞爾數(shù)Nu隨流體雷諾數(shù)Re的增大而增大。扭帶管的努塞爾數(shù)比空管平均提高13.01%～20.38%，組合扭帶管的努塞爾數(shù)比開孔扭帶平均提高了6.52%；

(4) 換熱管內(nèi)插入扭帶的傳熱綜合性能評價因子φ都大于1，φ值最高達到1.16，組合扭帶管的φ值都明顯高于20-6-H的開孔扭帶管。這說明了換熱管內(nèi)插入扭帶后，傳熱性能確實得到了強化，并且組合扭帶對換熱管的傳熱強化效果明顯高于開孔扭帶；

(5) 總體上，20-5-4-H組合扭帶管以及20-6-2-H組合扭帶管的φ值相對最大，傳熱綜合性能相對最好。傳熱綜合性能評價因子φ值隨著雷諾數(shù)的增大逐漸趨近于1，說明了換熱管內(nèi)插入組合扭帶的強化傳熱較為適用于小雷諾數(shù)工況下的流體，對雷諾數(shù)很大的工況流體傳熱強化效果并不明顯。

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