内插螺旋弹簧换热管传热特性试验研究

徐建民 黄 伟 熊 雯

(武汉工程大学机电工程学院)

内插螺旋弹簧换热管传热特性试验研究

徐建民＊黄 伟 熊 雯

(武汉工程大学机电工程学院)

对内插螺旋弹簧管和光管的换热及其阻力特性进行了试验研究,结果表明,内插螺旋弹簧的存在增加了对管内流体流动的扰动,使换热管具有较好的传热效果。内插螺旋弹簧换热管的强化传热综合性能比光管提高了 1.57～2.54倍,内插螺旋弹簧管的综合性能好于光管。

换热器 内插螺旋弹簧管 传热 实验研究

0 前言

现代工业的迅猛发展日益严重的世界能源危机,使得能源有效利用技术越来越受到重视。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要,而且也是回收能量、节约能量的有效装置,在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用[1]。换热器是工艺过程中必不可少的单元设备,在诸多工程领域中都有着广泛的应用。近年来,随着世界能源的日益短缺,各国政府与专家都十分重视传热强化和热能回收利用的研究和开发工作,换热器的强化传热研究便也成为该领域研究的重点[1～4]。管壳式换热器的效率对节能有着重大的现实意义,并广泛地应用在化工生产过程中,针对其特点提高换热效率,换热管内插物就是其中一种。内插物不需要外加动力,成本低廉,加工比较方便,不仅能强化传热,还能实现换热器的在线除垢、防垢[5]。基于此,内插螺旋弹簧管利用换热管内插入螺旋弹簧来使流体产生径向流动,从而加强流体混合、促进管内流体速度和温度分布的均匀,并获得管壁与流体间较高的对流换热系数。笔者对内插螺旋弹簧管和光管的换热及阻力特性进行了试验研究,以期为内插螺旋弹簧管换热器的工程设计提供理论依据。

1 试验装置及条件

1.1 试验用内插螺旋弹簧管

试验所用光管的公称尺寸为Ø25 mm×0.8 mm×1820 mm,材质为 0Cr18Ni9,数量为 19根管。内插螺旋弹簧选用外径 12 mm,丝径 1 mm,节距 6 mm,长 1820 mm的弹簧。

1.2 试验流程

为了验证内插螺旋弹簧换热管传热性能的优越性,设计了试验流程如图 1所示。

图1 试验装置流程1—加热锅炉 2—离心泵 3—阀门 4—电磁流量计 5—水箱6—电磁流量计 7—冷流体入口 8—温度测量仪9—热流体出口 10—内插螺旋弹簧管换热器 11—冷流体出口12—热流体进口 13—压力传感变送器

试验装置由高温水回路、低温水回路、测量控制系统和试验用换热器四大部分组成。试验时,管程体积流量控制在 3.5～17.5 m3/h,壳程体积流量控制在 4.5～10.5 m3/h,管内 (管程)为热流体,管外 (壳程)为冷流体。试验以冷热水作为介质,热流体温度控制在 70℃以下,以确保试验的安全性。如图 1所示,通过三个按钮开关对电加热器功率进行调节,从而达到控制管程流体进口温度的目的。试验前对电磁流量变送传感器、温度传感器均进行了标定和校正。选定 4种管程进口流量,它们分别是满程 (35 m3/h)的 10%、30%、40%、50%,也选定 4种壳程进口流量,它们分别是满程(15 m3/h)的 30%、50%、60%、70%,这样一种试验就需测定 16组数据,每组分别测定管、壳程的进、出口温度及壳程压降。

1.3 试验步骤

由于试验过程中的用电设备较多,为了尽量控制系统操作工况不发生大的波动,必须严格地控制试验的操作。现简单介绍如下:

(1)将换热器试验模型接入试验系统,检查各试验装置及仪表安装无误。

(2)往热水箱里注满水并打开水泵,冷水箱中也注满水并打开水泵,以保证管、壳程流体的连续流动,并检查换热器的密封性。

(3)打开热水箱电加热器,调节换热器管程流量控制阀门,维持管程热水流量稳定不变。调节换热器壳程流量控制阀门,改变壳程冷水的流量,观察各测点温度变化情况。当各温度值基本稳定不变,温度波动小于 ±0.5℃时,说明换热器传热与流动达到稳定状态,此时记录所有测量数据。

(4)调节换热器壳程流量控制阀门,维持壳程冷水流量稳定不变。调节换热器管程流量控制阀门,改变管程热水的流量,观察各测点温度变化情况。当各温度值基本稳定不变,温度波动小于 ±0.5℃时,说明换热器传热与流动达到稳定状态,此时记录所有测量数据。

(5)更换换热器试验模型,重复以上操作步骤,直到完成所有试验工况。

2 试验结果分析

2.1 传热性能对比

内插螺旋弹簧换热管和光管的传热性能关系曲线如图 2所示。从图 2中可以看出,内插螺旋弹簧换热管的努塞尔系数 N u随雷诺数 Re的增加而增大,这一点与光管相同;内插螺旋弹簧换热管的传热性能均比光管的好。在相同雷诺数 Re下,内插螺旋弹簧管的努塞尔系数Nu要比光管的大。

图2 内插螺旋弹簧管与光管传热性能及对比

2.2 阻力性能对比

内插螺旋弹簧管和光管的压降变化曲线如图 3所示。从图 3中可以看出,在相同 Re下,内插螺旋弹簧管的压降均大于光管。

图3 内插螺旋弹簧管和光管压降变化曲线

2.3 强化传热综合性能变化曲线

内插螺旋弹簧管和光管的强化传热综合性能变化曲线如图 4所示。

图4 强化传热综合性能变化曲线

从相同输送功率下输送热量大小的观点来看,以 (N u/N uo)/(ξ/ξo)1/3作为强化传热综合性能的评价准则。当 (Nu/N uo)/(ξ/ξo)1/3>1时,强化传热有效。从图 4中可以看出,内插螺旋弹簧管的(Nu/N uo)/(ξ/ξo)1/3均大于光管的 。

3 结论

(1)螺旋弹簧的存在增加了对管内流体流动的扰动,使换热管具有较好的传热效果。

(2)内插螺旋弹簧换热管的强化传热综合性能变化曲线比光管提高了 1.57～2.54倍,内插螺旋弹簧管的综合性能好于光管。

[1] 肖宏亮 .管内移动弹簧插入物在线清洗及其传热与流阻特性的分析 [D].广州:华南理工大学,1989.

[2] 董珊,刘殿殿,吴永红,等 .管内插入物单相流体强化传热的实验研究 [J].热能动力工程,1990,5(l):31-35.

[3] 张至英,戴干策 .管内插入螺旋线圈强化传热的研究[J].化工装备技术,1991,12(4):10-15.

[4] 孟祥春 .管内插入螺旋丝强化传热的研究 [J].化工装备技术,1991,12(5):8-13.

[5] 徐天华 .管内插入物强化液体传热 [J].化工炼油机械,1984,13(6):14-16.

＊徐建民,男,1965年生,教授。武汉市,430073。

2009-09-21)