任國(guó)瑜 任旭 李健 亢玉紅 高勇 李霄

摘? ? ? 要： 實(shí)驗(yàn)研究了安裝有小方槽內(nèi)構(gòu)件的管式換熱器傳熱性能，結(jié)果表明：管內(nèi)插入小方槽擾流內(nèi)構(gòu)件時(shí)，換熱器傳熱性能隨Re和內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N的增加而增大;當(dāng)N=7時(shí)，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu增加不明顯。在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu分別是空管換熱器的1.51～2.55倍。Re在1.9×104時(shí)，小方槽內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N為6時(shí)，換熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子η達(dá)到最大1.60，說(shuō)明小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器綜合強(qiáng)化傳熱性能較好。這可能與小方槽內(nèi)構(gòu)件的空間效應(yīng)有關(guān)。因此，小方槽結(jié)構(gòu)可引入插入物內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，從而強(qiáng)化換熱器的傳熱性能。

關(guān)? 鍵? 詞：管式換熱器;小方槽內(nèi)構(gòu)件;傳熱性能強(qiáng)化;綜合性能評(píng)價(jià)因子η

中圖分類號(hào)：TQ021.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）09-2087-04

Abstract： Heat transfer characteristics of the tube heat exchangers （THE） with small slot inserts were studied. Experimental results showed that Nu of the heat exchanger with small slot inserts increased with the increase of Re and N. When N=7， Nu of heat exchanger with small slot inserts did not increase significantly. Within the range of experimental data， the Nu of the heat exchanger with small slot inserts was 1.51～2.55 times that of the plain tube heat exchanger. Re =1.9 ×104， the optimal group number was 6，the comprehensive performance evaluation factors η of the heat exchanger with small slot inserts was 1.60， indicating that the heat exchanger with small slot inserts had the heat transfer performance better， which may be related to the spatial effect of the small slot. Therefore， the small slot structure may be introduced into the design of insert structure， so as to enhance the heat transfer performance of heat exchanger.

Key words： Tube heat exchanger;Small slot inserts; Heat transfer enhancement; Comprehensive performance evaluation factor η

在化工企業(yè)的設(shè)備中，換熱設(shè)備幾乎占了三分之一，其中應(yīng)用最廣泛的換熱器是管式換熱器[1，2]。因此，強(qiáng)化管式換熱器傳熱性能對(duì)技術(shù)改進(jìn)和節(jié)能減排具有重要的意義。關(guān)于在換熱器換熱管內(nèi)加入插入物以提高管式換熱器傳熱性能的研究較多，它的最大優(yōu)點(diǎn)為適合對(duì)舊換熱器進(jìn)行改造，并且加工方便，從而大大節(jié)省投資提高傳熱性能。尤其是插入物有助于清除管內(nèi)污垢降低污垢熱阻。同時(shí)，插入物增強(qiáng)了管內(nèi)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，這是其他強(qiáng)化換熱技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3，4]。目前，管內(nèi)插入物的類型有很多，常用的插入物結(jié)構(gòu)有扁鐵[5]、環(huán)片條、靜態(tài)混合器等[6]、圓錐環(huán)狀[7]、百葉窗式條狀內(nèi)構(gòu)件[8]、螺旋線[9]、半扭帶和扭帶[10]等多種形式。這些內(nèi)構(gòu)件可以歸納為兩類[11]：連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件如扭帶、繞花絲螺旋線等和不連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件如靜態(tài)混合器、扁鐵等。對(duì)于連續(xù)型內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降較大。吳爽等[12]研究了多種管內(nèi)自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件的阻力特性和自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能，自旋彈簧內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱系數(shù)是空管換熱器的1.03～1.43倍，阻力系數(shù)是空管換熱器的2.52～5.46倍。在工業(yè)上應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)一些石化企業(yè)如青島石化的常減壓設(shè)備使用管內(nèi)插入扭帶擾流子插入物強(qiáng)化傳熱，管內(nèi)傳熱系數(shù)可提高2～3倍，但是對(duì)管壁有一定程度的磨損[13，14]。楊品蓮等[5]在高溫?fù)Q熱器中插入麻花鐵、扁鐵內(nèi)構(gòu)件，麻花鐵內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱系數(shù)是空管換熱器的1.62～1.8倍;扁鋼內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu增加了20%～30%。

在前期研究中，本人設(shè)計(jì)了小叉內(nèi)構(gòu)件、平板內(nèi)構(gòu)件以及45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器，對(duì)內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降性能進(jìn)行研究[15]，這些內(nèi)構(gòu)件通過(guò)中央固定桿固定在管內(nèi)，內(nèi)構(gòu)件的外側(cè)靠近壁面但是不接觸壁面，這樣既可以起到擾動(dòng)的效果減薄邊界層厚度，又可避免額外增加換熱面產(chǎn)生新的熱邊界層。同時(shí)，起到清除污垢的作用。這些類型的內(nèi)構(gòu)件都屬于不連續(xù)型擾流內(nèi)構(gòu)件，在一定范圍內(nèi)換熱器的壓降增加不顯著。綜合以上幾方面因素，本人前期[9]對(duì)小叉內(nèi)構(gòu)件、平板內(nèi)構(gòu)件以及45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器有效強(qiáng)化管式換熱器總傳熱系數(shù)K。研究發(fā)現(xiàn)45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱性能較好，結(jié)合45°平板結(jié)構(gòu)，本人又設(shè)計(jì)了小方槽內(nèi)構(gòu)件。本文對(duì)小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能進(jìn)行了研究。

1? 實(shí)驗(yàn)流程與內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)

1.1? 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程與文獻(xiàn)[15]相同，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入，通過(guò)空氣流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入換熱器內(nèi)管，裝有冷空氣的內(nèi)管與環(huán)隙中熱的水蒸氣進(jìn)行換熱，由于管內(nèi)走冷空氣，環(huán)隙走熱的水蒸氣，冷空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于水蒸氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，故內(nèi)構(gòu)件安裝在管內(nèi)可有效的提高換熱器的傳熱性能。換熱詳細(xì)流程不再贅述。

1.2? 擾流內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及安裝

本文研究的內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)材質(zhì)為銅板，小方槽內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)及安裝如圖1所示。

小方槽通過(guò)螺紋桿固定在內(nèi)管中央，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中，第一組擾流內(nèi)構(gòu)件安裝在螺紋桿底端距入口測(cè)溫點(diǎn)13 cm處;然后組于組之間均布在螺紋桿上。小方槽的尺寸如下：小方槽的總長(zhǎng)度14.5 mm;固定端的內(nèi)外分別為4.5和8 mm，遠(yuǎn)離固定端處的長(zhǎng)、寬、高均為6 mm;內(nèi)構(gòu)件厚度為0.7 mm。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中改變空氣流速，測(cè)量管內(nèi)插入不同組數(shù)（N）小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的進(jìn)出口壓降和溫度，得出小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器壓降Δp和努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律。

2.1? 不同結(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)件對(duì)換熱器傳熱和壓降的影響

文獻(xiàn)[16]中介紹了平板內(nèi)構(gòu)件和45°平板內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能和壓降，文獻(xiàn)[14]介紹了小叉內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降特性，三種類型內(nèi)構(gòu)件的長(zhǎng)度是相同的，結(jié)構(gòu)不同。本文對(duì)小叉、45°平板和小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降和傳熱進(jìn)行對(duì)比。

由圖2和圖3可以看出，三種結(jié)構(gòu)小叉、45°平板和小方槽內(nèi)構(gòu)件，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降較大，但是傳熱效果是最好的。次之是45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，小叉內(nèi)構(gòu)件換熱器傳熱性能最差。故本文對(duì)小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能強(qiáng)化進(jìn)行研究。

2.2? 不同組數(shù)小方槽內(nèi)構(gòu)件對(duì)換熱器傳熱性能的影響

文獻(xiàn)[15]中的圖6介紹了小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降特性，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的壓降隨組數(shù)的增加而繼續(xù)增加，當(dāng)組數(shù)增加到7組，流速達(dá)到12 m/s（Re≈2.3×104），換熱器的壓降達(dá)到750 Pa，但未對(duì)小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能進(jìn)行研究。因此，本文對(duì)不同組數(shù)小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能進(jìn)行研究。

圖4和圖5分別是小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re和內(nèi)構(gòu)件組數(shù)N的變化規(guī)律。

由圖4可以看出，隨著Re和組數(shù)的增加，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的傳熱性能也在增加，當(dāng)組數(shù)N增加到7組時(shí)，Nu增加緩慢。由圖5可以看出，選擇中高低三個(gè)Re，隨著組數(shù)N的增加，換熱器Nu增加。當(dāng)組數(shù)N增加到7時(shí)，三個(gè)雷諾數(shù)下，換熱器Nu幾乎不再增加，因此，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)N為6組。

2.3? 綜合評(píng)價(jià)因子η與N的關(guān)系

參照文獻(xiàn)[16]知：

式中（1）中， Nu0、 f0分別為空管換熱器的努塞爾數(shù)和流體流動(dòng)摩擦阻力系數(shù)。本文中f/f0 ≈p/p0[17]，在 Re =1.9×104 下，本文對(duì)小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器強(qiáng)化傳熱的綜合性能評(píng)價(jià)因子η與組數(shù)N的變化進(jìn)行作圖。

由圖6可知，在Re=1.9×104下，小方槽換熱器綜合性能評(píng)價(jià)因子η均大于1，即小方槽換熱器可強(qiáng)化換熱器的綜合傳熱性能。當(dāng)組數(shù)N為6組時(shí)小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器綜合評(píng)價(jià)因子η最大達(dá)到1.61。所以，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)是6組。由文獻(xiàn)[8]知，在相同雷諾數(shù)下，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的綜合性能評(píng)價(jià)因子大于45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，故小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于45°平板內(nèi)構(gòu)件換熱器，這可能是由于小方槽內(nèi)構(gòu)件的自由端的空間效應(yīng)優(yōu)于45°平板內(nèi)構(gòu)件，小方槽內(nèi)構(gòu)件的自由端突出的更顯著，自由端的長(zhǎng)寬高分別為6 mm。

3? 結(jié) 論

（1）小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器傳熱性能優(yōu)于45°平板和小叉內(nèi)構(gòu)件管式換熱器，小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器Nu是空管換熱器的1.51～2.55倍。

（2）小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器的傳熱性能隨Re和組數(shù)N的增加而增加，當(dāng)組數(shù)增加到7組，小方槽內(nèi)構(gòu)件管式換熱器Nu幾乎不增加。

（3）在Re為1.9×104下，小方槽組數(shù)N為6組時(shí)，換熱器的綜合評(píng)價(jià)因子η達(dá)到最大1.61，即此時(shí)小方槽內(nèi)構(gòu)件換熱器的最佳組數(shù)N為6組。

符號(hào)說(shuō)明：

Nu 努塞爾準(zhǔn)數(shù)

Re 雷諾準(zhǔn)數(shù)

K 總傳熱系數(shù)，W?m-2?℃-1

N 內(nèi)構(gòu)件組數(shù)

n 每組內(nèi)內(nèi)構(gòu)件個(gè)數(shù)

Δp 換熱器進(jìn)出口壓降，Pa

η 換熱器綜合評(píng)價(jià)因子

THE Tube heat exchanger

參考文獻(xiàn)：

[1]張輪亭， 邱麗燦， 王臣. 管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱進(jìn)展[J]. 當(dāng)代化工， 2014（11）：2322-2324.

[2]李躍春.化工生產(chǎn)必備設(shè)備換熱器的防腐蝕方法研究[J].化工管理，2019，508（01）：157-158.

[3]焦鳳，鄧先和，宋鵬云.插入物對(duì)新型換熱器性能的影響[J].石油學(xué)報(bào)，2015，31（3）：796-802.

[4]黃功浩.插入物強(qiáng)化管內(nèi)單相流體傳熱的研究[J].化工學(xué)報(bào)， 1983，34（1）： 23-25.

[5]楊品蓮， 錢頌文， 戴建軍 ，等.管內(nèi)片條插入物強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)及其性能比較[J].化工裝備技術(shù)， 2004， 25（3）： 19-22.

[6]Zheng Nianben， Liu Peng， Wang Xinting， et al. Numerical simulation and optimization of heat transfer enhancement in a heat exchanger tube fitted with vortex rod inserts[J]. Applied Thermal Engineering， 2017，123：471-484.

[7]Akpinar E K. Evaluation of heat transfer and exergy loss in a concentric double pipe exchanger equipped with helical wires[J]. Energy conversion and management， 2006， 47（18）： 3473-3486.

[8]Simes P C， Afonso B， Fernandes J， et al. Static mixers as heat exchangers in supercritical fluid extraction processes[J]. The Journal of Supercritical Fluids， 2008， 43（3）： 477-483.

[9]隋海明，黃渭堂.管內(nèi)插入雙螺旋絲強(qiáng)化冷凝換熱的實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用科技，2007，34（8）：55-57.

[10]趙曉曦， 鄧先和， 陳穎，等. 管殼式換熱器殼程傳熱強(qiáng)化研究[J]. 現(xiàn)代化工， 2001（7）：14-17.

[11]林宗虎， 汪軍， 李瑞陽(yáng). 強(qiáng)化傳熱技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007. 38-41.

[12]吳爽. 內(nèi)置自旋彈簧換熱管工作特性實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廣西大學(xué)， 2006.

[13]趙國(guó)輝， 隋軍. 管殼式換熱器技術(shù)進(jìn)展[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)， 2000， 21（4）： 12-14.

[14]孫元進(jìn)， 岳坤霞. 擾流子強(qiáng)化換熱器傳熱的研究與應(yīng)用[J]. 撫順： 撫順石油學(xué)院， 1989，34（6）： 4-7.

[15]任國(guó)瑜，初廣文，鄒?？?，等.插入內(nèi)構(gòu)件管式換熱器壓降特性研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，26（5）：763-769.

[16]任國(guó)瑜，劉曉菊，李 晶，等. 平板式內(nèi)構(gòu)件管式換熱器傳熱性能研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，45（2）：23-30.

[17]曹振恒，閆紅文，劉樹繁，等.多面折流片用于管式換熱器內(nèi)的強(qiáng)化傳熱性能[J].化工進(jìn)展，2009，28（S1）：361-363.