摘要：對(duì)三分螺旋折流板換熱器和對(duì)比方案弓形折流板換熱器的傳熱和壓降性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,其中,三分螺旋折流板換熱器包括傾斜角分別為10°,15°,20°的扇形折流板,傾斜角為15°的橢圓折流板和傾斜角為20°的扇形搭接折流板5種方案.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,20°傾斜角扇形折流板方案的殼側(cè)換熱系數(shù)最高且壓降較低;折流板軸向搭接方案并不合理;當(dāng)量螺旋角對(duì)換熱器的性能起決定作用.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出含有傾斜角修正因子的三分螺旋折流板換熱器殼側(cè)換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式,所計(jì)算的10°,15°和20°扇形折流板方案的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值相比誤差大多小于±10%.    

    關(guān)鍵詞:螺旋折流板換熱器;三分螺旋折流板;傾斜角;當(dāng)量螺旋角;性能實(shí)驗(yàn)  

   中圖分類號(hào): TK124　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A　　文章編號(hào):1001-0505(2010)01-0149-05    

    由于傳統(tǒng)弓形折流板管殼式換熱器存在流動(dòng)死區(qū)、傳熱系數(shù)較低、流動(dòng)壓降較大、容易產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)等缺點(diǎn), Lutcha等發(fā)明了一種新型管束支撐方案[1]———1/4螺旋折流板換熱器.理論與實(shí)驗(yàn)研究[2-9]基本確認(rèn)了此類螺旋折流板換熱器具有較高的傳熱系數(shù),可消除殼程流動(dòng)死區(qū),降低殼程流動(dòng)壓力損失,有效抑制污垢的形成,以及抑制管束的振動(dòng)破壞等優(yōu)良性能.    

    1/4螺旋折流板方案比較適合于正方形排列布管的方案,但是管殼式換熱器中大量使用的是最為緊湊的正三角形排列布置的管束,而在傾斜的1/4扇形折流板上進(jìn)行正三角形排列布管時(shí)由于折流板形狀與布管區(qū)域不匹配,因而設(shè)計(jì)和加工制造比較困難,影響了此類換熱器的普及應(yīng)用.針對(duì)這一缺陷文獻(xiàn)[10-11]提出了三分螺旋折流板管殼式換熱器方案,將圓筒截面分成三等分,每塊折流板的投影占據(jù)120°夾角,折流板的2條直邊可布置在正三角形排列管束的相鄰管排之間.確定兩側(cè)換熱系數(shù)是換熱器傳熱設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容.管內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)采用經(jīng)典的DittuBoelter公式已被廣泛認(rèn)同,而殼側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算對(duì)于弓形折流板式換熱器有科恩(Kern)、多諾霍(Donohue)等方法[12];而對(duì)于螺旋折流板換熱器相關(guān)的討論還不多,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出相應(yīng)的殼側(cè)換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式.    

    1　試驗(yàn)裝置    

    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1,實(shí)驗(yàn)時(shí)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的乙二醇水溶液為加熱流體(走管程),導(dǎo)熱油為冷卻流體(走殼程).油在試驗(yàn)件中被加熱后引入板翅式換熱器由風(fēng)洞冷卻,通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量來(lái)控制進(jìn)油溫度.主要測(cè)量?jī)x器及設(shè)備有:質(zhì)量流量計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)、差壓變送器和安捷倫公司生產(chǎn)的34970A數(shù)據(jù)采集儀,并以美國(guó)NI公司的LABVIEW軟件平臺(tái)編制程序?qū)嵤┎僮?測(cè)量數(shù)據(jù)每10s巡讀一遍.圖2為現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖.    

                 

    三分螺旋折流板和弓形折流板管殼式換熱器管束及折流板的布置見(jiàn)圖3.三分螺旋折流板換熱器布管方案有分區(qū)布管(見(jiàn)圖3(a))和折流板周向重疊布管(見(jiàn)圖3(b))2種.前者的優(yōu)點(diǎn)是可以利用相鄰分隔區(qū)域之間的間隔在兩端封頭中布置分隔板,形成比偶數(shù)管程更接近逆流傳熱的三管程管內(nèi)流動(dòng);后者的優(yōu)點(diǎn)是相鄰折流板的2條直邊周向重疊穿過(guò)同一排管子,不僅解決了在整體均勻排列管束條件下的折流板對(duì)稱布置問(wèn)題,而且提高了管束的剛性,并可減少相鄰折流板形成的三角區(qū)的逆向泄漏.換熱器管束布置圖見(jiàn)圖3(c),管子數(shù)目為三分螺旋折流板方案48根,弓形折流板方案49根.

                  

    試驗(yàn)件換熱器的殼體為公用,芯子可更換,管程和殼程都是單程,逆流布置.換熱器殼體內(nèi)徑126mm,管子10mm×1mm×1 196mm,折流板外徑123mm,相鄰管子中心距為15mm.在70和60℃的進(jìn)水溫度與40和30℃的進(jìn)油溫度下進(jìn)行正交排列試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)熱水側(cè)(20%的乙二醇水溶液)閥門開(kāi)度不調(diào)節(jié),保持相對(duì)恒定的流量,以維持管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)基本不變.

    螺旋折流板按照裁剪方法可分為橢圓和扇形2種[11].分別對(duì)10°,15°,20°傾斜角的扇形、20°傾斜角的扇形搭接、15°傾斜角的橢圓三分螺旋折流板換熱器及弓形折流板換熱器共6種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及性能對(duì)比.

    2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

    2·1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集的數(shù)據(jù)主要是兩側(cè)流體的質(zhì)量流量、體積流量、進(jìn)出口溫度和壓差.根據(jù)得到的冷熱流體兩側(cè)換熱量Q1,Q2和逆流對(duì)數(shù)平均溫差Δtm,求得總體傳熱系數(shù)K為

                  

    式中,di和do分別為管子的內(nèi)徑與外徑;λw和λ分別為乙二醇水溶液和管子材料的導(dǎo)熱系數(shù).由于是新?lián)Q熱器,可不計(jì)污垢熱阻,只需扣除管壁熱阻而由于hw ho,由此求得的殼側(cè)的換熱系數(shù)ho值精度較高.

    在熱水(20%乙二醇水溶液)進(jìn)口溫度t,i w為70℃、導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度t,i o為30℃的條件下,按照所用螺旋折流板的不同對(duì)6種實(shí)驗(yàn)方案(方案1為弓形折流板,方案2為10°傾斜角扇形折流板,方案為15°傾斜角橢圓折流板,方案4為15°傾斜角扇形折流板,方案5為20°傾斜角扇形搭接折流板方案6為20°傾斜角扇形折流板)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖4分別顯示了6種方案的總體傳熱系數(shù)K、殼側(cè)換熱系數(shù)ho、殼側(cè)壓降Δpo和ho/Δpo1/3指標(biāo)隨殼側(cè)油流量Go的變化關(guān)系,其中,殼側(cè)壓差po等于油側(cè)壓差減去進(jìn)出口接管段的局部阻力損失由圖4可見(jiàn),在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)方案6的性能最好,它不僅阻力較低,而且無(wú)論是換熱系數(shù)值還是綜合性能指標(biāo)值都比較高,其綜合性能指標(biāo)hoΔpo1/3比方案1的數(shù)值平均高約26%;而方案2的換熱系數(shù)較低且壓降較高,其綜合性能指標(biāo)值在某些條件下甚至不如方案1,這證實(shí)了在一定范圍內(nèi)螺旋折流板換熱器的傾斜角增大時(shí)換熱系數(shù)隨之增大,阻力降低,ho/Δpo1/3指標(biāo)增大的觀點(diǎn).結(jié)果顯示,方案5與方案6相比,無(wú)論是換熱系數(shù)值還是

    綜合性能指標(biāo)值都有所降低,由此證實(shí)了軸向搭接方案并不合理的觀點(diǎn)[10].

                 

    2·2　當(dāng)量螺旋角

    從方案5與螺距相仿的方案4的性能大致相當(dāng),以及相同傾斜角的方案4比螺距較小的方案3的性能更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,對(duì)換熱器的性能起決定作用的不是傾斜角而是相對(duì)螺距.由此提出當(dāng)量螺旋角的概念.

    大多數(shù)文獻(xiàn)將螺旋角等同于傾斜角,螺旋角原本是根據(jù)連續(xù)螺旋體而定義的,傾斜角是針對(duì)非連續(xù)螺旋折流板的.從描述流體的螺旋流動(dòng)總趨勢(shì)的角度,定義非連續(xù)螺旋折流板換熱器的當(dāng)量螺旋角α為:在相同螺距下連續(xù)螺旋折流板外徑處的傾斜角度,即

                  

    式中,Hs為螺旋折流板螺距;D為折流板外徑.由于傾斜角β等于α的非連續(xù)螺旋折流板方案在相鄰折流板外徑連續(xù)相接的條件下,其螺距較螺旋角為α的連續(xù)螺旋折流板的螺距小,故非連續(xù)螺旋折流板的當(dāng)量螺旋角α小于其傾斜角β.式(4)也可用于計(jì)算相鄰折流板軸向搭接后的當(dāng)量螺旋角.采用搭接方案后,由于螺距減小,其當(dāng)量螺旋角也將變小.由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,橢圓折流板方案和折流板軸向搭接方案都不如相同傾斜角下軸向不搭接的扇形折流板方案,因此以下討論中將此兩者摒棄,不予考慮.因而對(duì)于三分或1/4扇形折流板方案,傾斜角與當(dāng)量螺旋角就是一一對(duì)應(yīng)的.試驗(yàn)件的當(dāng)量螺旋角等結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1.

               

    國(guó)內(nèi)外有許多文獻(xiàn)討論了傾斜角(大多稱為螺旋角,但實(shí)際是指傾斜角)大小的影響[1-8,13-14],主流觀點(diǎn)認(rèn)為以單位壓降的殼側(cè)換熱系數(shù)為指標(biāo)所確定的最佳傾斜角約為40°左右[1-3,8].

    2·3　殼側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

    弓形折流板管殼式換熱器殼側(cè)的特征長(zhǎng)度有多種選取方式[12,15],根據(jù)螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)的流動(dòng)屬于橫掠管束的特點(diǎn),特征長(zhǎng)度取為管子外徑do.

    無(wú)相變時(shí)殼程湍流換熱系數(shù)的計(jì)算主要有Donohue方法、Kern方法和Bell方法等[12],Dono-hue方法表達(dá)式為

                  

    式中,Sc為熱交換器中心線或距中心線最近的管排上最小流道面積;Sb為折流板圓缺部分的流道面積.將弓形折流板換熱器方案殼側(cè)Nu數(shù)實(shí)驗(yàn)值與Donohue方法計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖5,其中Nuexp表示實(shí)驗(yàn)值,NuD表示Donohue方法計(jì)算值.

                  

    式中,Ds為殼體內(nèi)徑;n為折流板對(duì)稱線處的管子數(shù)目;特征長(zhǎng)度采用管子外徑do.由圖6可見(jiàn),按式(7)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差大多在±10%以內(nèi),符合工程精度的要求.同時(shí)式(7)的形式為如三分折流板還是1/4折流板、周向重疊程度、管束正三角形排列還是正方形排列、間隙泄漏的影響等的修正提供了基礎(chǔ).

                

    3　結(jié)論

    1)三分螺旋折流板換熱器比1/4螺旋折流板換熱器更適合于正三角形布管排列的場(chǎng)合.從管內(nèi)走換熱系數(shù)較高的熱流體(20%乙二醇水溶液)和殼側(cè)走換熱系數(shù)較低的冷流體(導(dǎo)熱油)的實(shí)驗(yàn)方式能夠較準(zhǔn)確地獲得殼側(cè)換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值,從而為擬合較準(zhǔn)確的殼側(cè)換熱系數(shù)公式奠定基礎(chǔ).

    2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)量螺旋角可作為描述非連續(xù)螺旋折流板內(nèi)流體總體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的指標(biāo).在一定范圍內(nèi),相對(duì)螺距較大即當(dāng)量螺旋角較大的方案,其換熱性能較高,阻力較小;軸向搭接減小了螺距和當(dāng)量螺旋角,因而其性能不如相同傾斜角的不搭接方案;在相同的傾斜角下,扇形折流板方案的當(dāng)量螺旋角比螺距較小的橢圓折流板方案的大,其性能亦明顯優(yōu)于后者.

    3)螺旋折流板管殼式換熱器殼側(cè)的特征長(zhǎng)度采用管子外徑.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的考慮了最佳傾斜角因素的螺旋折流板換熱器殼側(cè)換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差大多在±10%以內(nèi).