齊 濟(jì)，劉春艷，方興蒙，姚暄澤，石 松

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116605)

傳熱不僅是自然界中普遍存在的能量傳遞現(xiàn)象，也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的單元操作過程之一。無論在能源、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械等工業(yè)過程中，還是在建筑、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，都涉及傳熱過程。傳熱與化工生產(chǎn)的關(guān)系尤為密切，在化工生產(chǎn)裝置中，換熱設(shè)備占裝置工藝設(shè)備總數(shù)的48%左右，因此傳熱技術(shù)水平是化工設(shè)備效率的關(guān)鍵[1-7]。

在提高傳熱效率的方法中，管內(nèi)加入螺旋絲是一種經(jīng)濟(jì)方便的方法，螺旋絲加工簡(jiǎn)單，特別適合于現(xiàn)有設(shè)備改造。管內(nèi)加螺旋絲由波蘭人A.Klaczak于1964年提出，1969年Date等人對(duì)流體做湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)的準(zhǔn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。S. Lal對(duì)螺旋線圈進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出線圈最佳螺距。Utartwar和Raja研究了管內(nèi)插入7種不同尺寸螺旋線圈強(qiáng)化傳熱,傳熱系數(shù)可提高3.5倍[8]。Syed Muhammad Ammar等人對(duì)微通道溝槽多端口扁平管換熱器的冷凝傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究，得出冷凝傳熱系數(shù)隨飽和溫度的增加而減小，隨流量的增大而增大[9]。在國(guó)內(nèi)，張至英等通過實(shí)驗(yàn)考察了螺距、鋼絲直徑與黃銅管內(nèi)徑的比值對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明，螺旋線圈對(duì)強(qiáng)化單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱有一定的效果，給熱系數(shù)為光管的133%～440%[10]，姚壽廣等研究了螺線圈強(qiáng)化傳熱元件結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化問題，實(shí)驗(yàn)表明螺旋線圈直徑、螺距以及雷諾數(shù) Re 對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力都有影響[11]；歐劍云等對(duì)螺旋線圈強(qiáng)化傳熱的傳熱效果與阻力特性進(jìn)行了分析，得出在管內(nèi)添加螺旋線圈能夠有效地提高傳熱效果的結(jié)論[12]；韓繼廣等對(duì)管內(nèi)插入扭帶及螺旋線圈的傳熱與阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了普遍適用的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，分析了管內(nèi)強(qiáng)化傳熱的內(nèi)在機(jī)理[13]。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，探討插入螺旋線圈的套管換熱器和列管換熱器的不同管程流動(dòng)布置等因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響，對(duì)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的影響，為換熱器改造和優(yōu)化，提高傳熱效率，減少能源損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

螺旋線圈的結(jié)構(gòu)如圖1。螺旋線圈由直徑3 mm的鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內(nèi)即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。螺旋線圈處于壁面附近，與壁面的相互作用能使流體分子團(tuán)在低流速下產(chǎn)生宏觀的徑向位移，形成徑向-軸向的疊加混合運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)主流區(qū)內(nèi)流體不同溫度各部分的分子團(tuán)之間混摻增強(qiáng)，從而提高傳熱系數(shù)。由于繞制線圈的金屬絲直徑很小，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。

圖1 螺旋線圈實(shí)物圖

1.1 傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)研究的裝置(由天津大學(xué)組裝)及流程如圖2。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，先向儲(chǔ)水罐中加入蒸餾水至液位計(jì)上端處。隨著加熱的進(jìn)行，蒸汽發(fā)生器將不斷地產(chǎn)生水蒸氣，并沿水蒸氣輸送管路上升。

1-列管換熱器空氣進(jìn)口閥；2-套管換熱器空氣進(jìn)口閥；4-壓差傳感器；6-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；7-旋渦氣泵；8-儲(chǔ)水罐;9-排水閥；10-液位計(jì)；11-蒸汽發(fā)生器；12-散熱器；13-套管換熱器；14-套管換熱器蒸汽進(jìn)口閥；15-列管換熱器；16-列管換熱器蒸汽進(jìn)口閥；17-玻璃觀察段；18-不凝氣放氣閥；P1-壓差傳感器。

在進(jìn)行套管實(shí)驗(yàn)時(shí)，將列管換熱器閥門全部關(guān)閉，打開套管蒸汽入口閥，此時(shí)蒸汽進(jìn)入套管換熱器內(nèi)，空氣通過旋渦氣泵輸送至套管換熱器內(nèi)管，在管壁與水蒸氣發(fā)生熱交換。通過空氣旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣流量，以改變空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，從而改變換熱量。套管強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，即在套管換熱器內(nèi)管插入螺旋絲，其他條件與普通光滑管一致。

在進(jìn)行列管換熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，改變換熱器的管程流動(dòng)排布方式(將特定的管路堵住或加入螺旋絲)。將套管換熱器閥門全部關(guān)閉，打開蒸汽入口閥，此時(shí)蒸汽進(jìn)入列管換熱器環(huán)隙內(nèi)，空氣通過旋渦氣泵輸送至列管換熱器管內(nèi)，與水蒸氣發(fā)生熱交換。通過空氣旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣流量。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)與管件參數(shù)

設(shè)備與管件參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 套管換熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

2.1.1 對(duì)流傳熱系數(shù)αi的測(cè)定

空氣對(duì)流傳熱系數(shù)αi和總傳熱系數(shù)K根據(jù)牛頓冷卻定律、對(duì)數(shù)平均溫差、傳熱面積、熱負(fù)荷等進(jìn)行計(jì)算，公式如(1)至(9)所示。

Qi=αi×Si×Δtm；

(1)

(2)

(3)

因?yàn)閾Q熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw來表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。

管內(nèi)換熱面積用式(4)計(jì)算，熱負(fù)荷按式(5)計(jì)算。

Si=πdiLi；

(4)

Qi=Wicpi(t2-t1)；

(5)

(6)

2.1.2 空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定

流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，式(8)為準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，由此式計(jì)算出空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)。

(7)

(8)

2.1.3 蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)確定

用式(8)求出總傳熱系數(shù)K，用式(10)近似求出蒸汽端的對(duì)流傳熱系數(shù)α0。

(9)

(10)

2.2 列管換熱器的處理方法

列管換熱器的總傳熱系數(shù)由式(11)至(15)計(jì)算得出：

傳熱速率方程式Q=Ko×So×ΔTm；

(11)

熱量衡算式Q=Cp×W×(T2-T1)；

(12)

(13)

(14)

So=n·πdoLo。

(15)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 套管換熱器

3.1.1 空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)比較

不同雷諾數(shù)下的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)比如圖3。

由圖3可知，隨著雷諾數(shù)Re的增加，湍流程度加大，流速增大，兩種傳熱管的對(duì)流傳熱系數(shù)都隨之提高。普通光滑管擬合公式為：α=0.0021Re+18.13；強(qiáng)化粗糙管擬合公式為：α=0.0044Re+17.794，由擬合公式可以看出強(qiáng)化管的斜率高于光滑管。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，雷諾數(shù)相同的情況下，強(qiáng)化粗糙管對(duì)流傳熱系數(shù)大于光滑圓管，可見強(qiáng)化管的傳熱效果比普通管好。這是由于在靠近壁面的部分流體受到螺旋線圈的擾流作用產(chǎn)生螺旋狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切向加速度產(chǎn)生離心力隨之增大，離心力取決于流體顆粒的局部軸向速度，這種離心力，在管子的橫截面上分布不均勻，促進(jìn)了流體中的二次流動(dòng)。原因是在管芯中流動(dòng)的流體顆粒與靠近管壁流動(dòng)的流體顆粒之間的軸向速度的差異，在傳熱面形成較高的剪切力，破壞層流底層，增強(qiáng)流體在同一截面的混合，降低傳熱阻力；流體還周期性地受到線圈的擾動(dòng)，增強(qiáng)了流體的湍動(dòng)程度，達(dá)到了傳熱強(qiáng)化的效果[14]。

圖3 不同雷諾數(shù)下的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)比(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo))

3.1.2 空氣側(cè)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的比較

在本實(shí)驗(yàn)條件下處理得到的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖如圖4。對(duì)于光滑套管的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：Nu0=0.0197Re0.7896Pr0.4；經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式為Nu=0.023Re0.8Pr0.4(此式應(yīng)滿足條件①雷諾準(zhǔn)數(shù)Re>10 000，②普朗特準(zhǔn)數(shù)0.650，④流體粘度μ<2mPa·S。)[15]，本研究中的實(shí)驗(yàn)滿足以上四個(gè)條件，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中，指前因子和雷諾準(zhǔn)數(shù)的指數(shù)均有減小。造成的原因是由于在實(shí)驗(yàn)的過程中存在熱損失。對(duì)于粗糙管的滿足此式：Nu=0.0189Re0.852Pr0.4；將其和光滑的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)比可以得出，雖然指前因子小于光滑管，但雷諾準(zhǔn)數(shù)的指數(shù)大于光滑管，說明傳熱強(qiáng)化能力與流體的流動(dòng)形態(tài)和流體速度密切相關(guān)，隨著流量的增加，流速提高，流體湍流程度增強(qiáng)，強(qiáng)化比Nu/Nu0越來越大，且大于1，強(qiáng)化效果明顯。這表明在管程內(nèi)部插入螺旋絲可以有效強(qiáng)化換熱，是一種方便經(jīng)濟(jì)的方法。

圖4 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)圖(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo))

3.1.3 蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)比較

蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)比圖如圖5?？梢钥闯觯弘S著流量的增加，流體的流速增大，兩種管的蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)均隨流量的增大而增大，其中隨流量變化，對(duì)流傳熱系數(shù)變化較為平緩的是光滑圓管，強(qiáng)化管的趨勢(shì)明顯高于光滑管。圖4已表明，管內(nèi)強(qiáng)化絲使管內(nèi)空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)增大，管內(nèi)強(qiáng)化層流內(nèi)層變薄，使管壁熱傳導(dǎo)的速度加快，管外管壁溫度降低，蒸汽冷凝速度加快，進(jìn)而加強(qiáng)蒸汽側(cè)近壁面處流體與壁面之間，管壁與管外流體之間的熱量交換，在層流和湍流狀態(tài)下，這種現(xiàn)象促進(jìn)了速度分布的局部最大值，通過增強(qiáng)傳熱來局部地增加壁上的溫度梯度，同時(shí)導(dǎo)致對(duì)流熱量的顯著變化[16],從而增大了蒸汽端的對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖5 蒸汽對(duì)流傳熱系數(shù)的對(duì)比

由圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，蒸汽對(duì)流傳熱系數(shù)的范圍在600-1600(W/(m2·K)，與Syed Muhammad Ammar等的研究結(jié)果一致，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)更接近于空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，因此，若想提高傳熱系數(shù)，應(yīng)設(shè)法提高空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)表明提高空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)的同時(shí)，蒸汽側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)也隨之增加，總傳熱系數(shù)升高顯著。

3.2 列管換熱器

列管換熱器管程位置標(biāo)號(hào)如圖6。

圖6 關(guān)于列管換熱器位置編號(hào)的說明

3.2.1 管程流通位置的影響

不同管道流通時(shí)的總傳熱系數(shù)如圖7。由圖7可以看出5號(hào)管與3號(hào)管傳熱系數(shù)隨流量的變化趨勢(shì)相同，在流量與傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)圖上重合，而6號(hào)管的變化趨勢(shì)與3號(hào)管和5號(hào)管有較大的差異，說明除了6號(hào)管外，其他位置的傳熱效果相同。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)于這兩個(gè)位置著重設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖7 不同位置流通對(duì)比圖

3.2.2 列管換熱器總傳熱系數(shù)范圍

通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)計(jì)算，得出本實(shí)驗(yàn)中的列管換熱器總傳熱系數(shù)范圍見表2?？梢钥闯觯弘S著換熱面積的增加，總傳熱系數(shù)K整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。為提高換熱量Q(Q=Δtm×A×K)，則要增加傳熱面積，就必須增加換熱管數(shù)量N，而介質(zhì)在管束中的流速隨著換熱管的增加而下降，結(jié)果反而使流體的傳熱系數(shù)降低，即增加換熱管不一定能滿足提高換熱量的要求。因此要保持流體在換熱管束中較大流速可將管束分成若干程數(shù)，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對(duì)流傳熱系數(shù)[17]。

表2 列管換熱器傳熱面積與K值的范圍

3.2.3 不同管程分布的總傳熱系數(shù)對(duì)比圖

不同管程排布的總傳熱系數(shù)如圖8(通過做圖分析流通管數(shù)大于1時(shí)，傳熱系數(shù)與流通位置無關(guān)，僅與傳熱面積相關(guān)，因此圖8未展示全部相同傳熱效果的流通方式，僅以一種為代表作圖)。隨著流量的增大，所有管程排布方式的總傳熱系數(shù)都逐漸變大。這是由于隨著流量的增加，強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)變得更加突出，質(zhì)量通量是環(huán)形流態(tài)增大，傳熱系數(shù)增大。傳熱系數(shù)也隨著蒸汽質(zhì)量的增加而增加。在較高的蒸汽流量下，液膜阻力減少，這意味著熱阻降低，傳熱系數(shù)增加[17]。

圖8 未插入螺旋絲的不同管程分布的總傳熱系數(shù)

在相同的流量下，不同管程排布與傳熱系數(shù)K的大小關(guān)系為：中心管流通>邊緣管流通>兩根管流通>三根管流通>四根管流通>五根管>全流通。說明不同管路流通排布方式對(duì)傳熱系數(shù)有影響。

單根管(6號(hào)管)流通的傳熱系數(shù)最高。這表明增加管程流通的根數(shù)，傳熱面積增加的同時(shí)，會(huì)降低管內(nèi)流體的流速，降低傳熱系數(shù)。因此在列管換熱器中，為保持流體在換熱管束中有較大的流速，可將管束分成若干程數(shù)，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對(duì)流傳熱系數(shù)。

插入螺旋絲對(duì)總傳熱系數(shù)影響的對(duì)比圖如圖9。由圖9可見，全流通(全部流通)和全流通邊緣管強(qiáng)化(1號(hào)等)的傳熱系數(shù)與流量的關(guān)系趨勢(shì)基本吻合，并且其傳熱系數(shù)大于中心管強(qiáng)化全流通的傳熱系數(shù)K；這是由于加入強(qiáng)化絲導(dǎo)致層流內(nèi)層變薄熱阻減小，但也同時(shí)導(dǎo)致阻力增大，流速降低，導(dǎo)致傳熱效率降低，其邊緣管插入螺旋線圈與不插入螺旋線圈效果相同。而對(duì)于6號(hào)管，插入螺旋線圈，引起熱阻減少的效果遠(yuǎn)不及產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，最終導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)降低。

圖9 強(qiáng)化總傳熱系數(shù)對(duì)比

強(qiáng)化全流通(全流通時(shí)在某根管內(nèi)插入螺旋絲)的傳熱系數(shù)最低。在換熱器內(nèi)部插入強(qiáng)化絲，流體從管中心區(qū)域沿徑向向外推動(dòng)，在螺旋線圈作用下，近壁處流體分叉朝向管中心區(qū)流動(dòng)，從而形成一對(duì)循環(huán)的反向旋轉(zhuǎn)渦流，通常稱為渦流。這種現(xiàn)象引起速度分布的局部最大值，通過最大化熱傳遞局部地增加管壁處的溫度梯度。這種額外的對(duì)流傳輸也增加了相對(duì)于直管流動(dòng)的壓降，導(dǎo)致傳熱效率降低[18-24]。因此對(duì)于本實(shí)驗(yàn)條件的列管換熱器，插入螺旋絲不能達(dá)到理想的強(qiáng)化傳熱的效果(多根管路強(qiáng)化效果差于單根管路強(qiáng)化)。

3.2.4 列管換熱器單管流通的比較

在列管換熱器中，做單管流通實(shí)驗(yàn)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行套管換熱器處理，得到以下準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式：對(duì)于6號(hào)管滿足此式：Nu=0.012Re0.9105Pr0.4；對(duì)于1號(hào)管滿足此式：Nu=0.0182Re0.8568Pr0.4。中心管6號(hào)湍流程度強(qiáng)于1號(hào)管，傳熱系數(shù)高于1號(hào)管。兩根管的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式相對(duì)比，可以看出，隨著流速的增加，中心管(6號(hào))流通的換熱效果強(qiáng)于邊緣管。

4 結(jié) 論

(1)套管換熱器中，在傳熱管內(nèi)插入螺旋絲可以在提高空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的同時(shí)，也增加蒸汽側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)，隨著流量的增加，強(qiáng)制對(duì)流效應(yīng)變得更加突出，強(qiáng)化效果增強(qiáng)。但應(yīng)注意傳熱增強(qiáng)與泵輸送功率降低之間的沖突問題，進(jìn)行對(duì)流傳熱優(yōu)化(可參考BEG原理)。

(2)列管換熱器中，管程流動(dòng)分布對(duì)總傳熱系數(shù)有影響，中心管(6號(hào))流通時(shí)的總傳熱系數(shù)最大，除中心管外，其他邊緣管的傳熱效果相同。在換熱器的設(shè)計(jì)中，若適當(dāng)增加中心管的面積，可以達(dá)到增強(qiáng)換熱的效果。

(3)列管換熱器中，隨著流通管數(shù)的增加，傳熱面積隨之增大，但流速隨之降低，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)減小。若要保持流體在換熱管束中較大流速，可將管束分成若干程數(shù)，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對(duì)流傳熱系數(shù)。

(4)列管換熱器中，插入螺旋強(qiáng)化絲，增強(qiáng)流體在管內(nèi)擾動(dòng)，使湍流程度增加，不斷地破壞層流底層，減小熱阻，但由于加入螺旋線圈導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大致使強(qiáng)化效果不理想。設(shè)計(jì)變化其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，如更換螺旋線圈的類型(如繞花絲內(nèi)插物等)，以達(dá)到減小阻力，增大湍流程度，達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果，還有待進(jìn)一步研究。