小尺度管壳式换热器壳侧阻力的特性研究

洪文鹏 金明亮 牛国庆

(东北电力大学能源与动力工程学院)

当前石油化工领域中，换热器设备在余热回收、精馏塔塔前预热、塔顶冷凝冷却及塔底再沸等方面应用非常广泛[1]。管壳式换热器是化学工业的主要换热设备之一，具有高度的可靠性和广泛的应用性[2]，但存在低温腐蚀问题。为了解决酸露点腐蚀问题，聚四氟乙烯换热器应运而生，并得到了迅速发展[3]。聚四氟乙烯小尺度管壳式换热器具有高换热面积、高体积比、强抗腐蚀性、防污塞、流动阻力小、柔韧性好及价格低廉等诸多优点[4]。近年来，小尺度管壳式换热器已经成为换热器基础研究和工程应用领域的重要研究课题之一，国内外多位学者通过实验和数值仿真对换热器流体横掠管束的传热、阻力系数和管束间流型进行了大量研究。

在实验方面：何国庚等对不同管排数的翅片管空气冷却器风侧阻力特性进行了实验研究，并将实验结果与空气冷却器常用风阻计算公式的计算结果进行了对比分析[5]；李庆领和郭玉玲对设有叉排椭圆棒束的矩形通道内换热和流阻特性进行了实验研究，通过对通道的总体平均放热系数和阻力系数进行计算，得到了实验雷诺数范围内两种管束的实验结果[6]；Lu G D等通过改变螺旋管束和光滑管束的横向、纵向管间节距比进行了对比实验，得到了相应条件下的传热特性和阻力系数[7]。

在数值模拟方面：洪文鹏等针对小尺度管壳式换热器管间距直接影响换热效果的问题，利用CFD软件Fluent分别对3种不同结构管束的管程流场和壳程流场流动进行了仿真，得到了小尺度管束在不同结构下的流场、压力场和涡量场的分布[8～10]。何法江和曹伟武在不同入口流速下，对空气横掠错列翅片管束的流动和传热性能进行了数值模拟，得到了湍流条件下的努塞尔准则数、欧拉准则数与雷诺准则数之间的关系式[11]。

但对小尺度聚四氟乙烯管壳式换热器的实验研究还很少。笔者通过风洞实验，采用动态数据采集系统测量了不同雷诺数下，空气横掠顺列、错列管束的两端差压波动信号，对小尺度管壳式换热器壳侧阻力的特性进行了研究。

1 实验装置及方法

实验是在自行设计搭建的截面81mm×81mm的矩形吸气式直流风洞中进行的，该实验装置主要包括风洞本体和动态数据采集系统两部分。

风洞本体包括稳定段、收缩段、测试段、实验段、扩散段、连接段和离心式吸风机(图1)。实验过程中，常温空气由风洞双曲线吸风口进入，经蜂窝器和阻尼网整流进入实验段，最后由离心风机出口排出。风机风速可通过调速开关进行无级调速，以达到改变实验工况的目的。

图1 矩形吸气式直流风洞结构简图

动态数据采集系统主要由皮托管、微差压变送器、铂热电阻、温度变送器、250Ω标准电阻板、24V恒压电源、数据采集仪和微型计算机组成。皮托管为LPT-04-200型标准皮托管；微差压变送器为美国alpha公司生产的测量精度为0.4%，量程为±250Pa和±1.5kPa的变送器；温度变送器为SBWZ型温度变送器，测量精度为0.5%；数据采集仪为IDTS-4516U型16通道采集仪。

实验段是由厚度为4mm的有机玻璃板组成的截面尺寸为81mm×81mm的矩形通道(图2)，长200mm，在内部分别布置P/D=1.5的10mm×10mm顺列结构和错列结构管束。其中，小尺度聚四氟乙烯光滑圆管的外径D为6mm，长为81mm。

图2 实验段管束布置示意图

实验过程中，首先选取某一结构管束作为风洞实验段进行安装。检查测量仪器和风洞密封情况，确认无误后，通过风机调速开关，调整风机功率大小，改变实验段前来流速度。风机功率由小到大依次增加，共改变6次风机功率。

每改变一次风机功率，在实验段前的测试段上，使用皮托管配合±250Pa微差压变送器对实验段入口风速进行测量。风速测量值按皮托管同一测点的不同插入深度取平均值，每个工况共取5个测点。在实验段入口使用铂热电阻配合SBWZ型温度变送器对入口空气温度进行测量，以对皮托管进行温度补偿的目的。在实验段前后测试段的有机玻璃板四壁开小孔取压，配合±1.5kPa微差压变送器测量空气流经实验段的压力损失。当各个测量仪器读数稳定时，通过计算机上的Dasview 2.0软件界面，记录下动态数据采集仪所采集到的各仪器测量结果相对应的电压值。一组实验结束后，更换实验段，重复上述实验步骤，完成实验内容。

2 实验数据处理

不同工况下风洞内气体密度的计算式为：

(1)

式中Ba——大气压力，Pa；

ps——测量断面内气体静压，Pa；

ts——测量断面内气体平均温度，℃；

ρn——标准状态下气体密度，kg/m3；

ρs——测试工况下气体密度，kg/m3。

风洞内来流速度为：

(2)

式中Kp——皮托管修正系数；

pd——测定点气体动压，Pa；

Vs——测定点流速，m/s。

管束当量直径的计算式为：

(3)

式中A——有效截面积，m2；

De——管束的当量直径，m；

χ——湿周，m。

管外雷诺数的计算式为：

(4)

式中Re0——管外雷诺数；

Smax——测试段风道面积，m2；

Smin——管束最窄通道截面积，m2；

Vmax——管束最窄截面处的流速，m/s；

ν0——空气运动粘度，m2/s。

由此可得，空气横掠管束的无量纲阻力准则数为：

(5)

式中Eu0——管外欧拉数；

Δp0——实验段两端压降，Pa。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

对动态数据采集仪所采集的电压信号进行处理，可以得到顺列、错列管束各工况的实验段入口静压、皮托管测点动压、管束两端压降和风洞入口空气温度。将处理过的实验数据代入式(1)～(5)进行计算，最后可以得到相应流速下顺列、错列管束对应的雷诺数和欧拉数(表1)。

表1 不同流速下两种管束的实验结果

3.2 实验分析

根据实验结果可以得到顺列、错列管束在不同来流速度下，实验段两端压降和欧拉数随雷诺数的变化曲线，即Δp0-Re0曲线和Eu0-Re0曲线(图3、4)。

从图3可以看出，两种结构管束的压降都随着雷诺数的增加而增大，而且错列管束压降大于顺列管束压降，这说明增大流速的同时也增加了介质的流动阻力。由于管束错列布置时，空气在管束间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，累加的压力损失大于顺列管束使风机功耗增加，换热经济性较差。但错列管束便于紧凑布置，在相同的空间内可以布置更多的管子，有效地增加了换热面积。

从图4可以看出，两种结构管束的欧拉数都随着雷诺数的增加而增大，并在相同的节距比下，错列管束的欧拉数明显大于顺列管束的欧拉数。因此，横掠小尺度光滑圆管管束的阻力和阻力系数除了与来流速度有关外，还与管束的几何结构有关。

为了更好地研究小尺度管壳式换热器壳侧阻力的特性，笔者对顺列、错列管束的流动阻力实验数值与相关文献中壳程阻力计算公式所计算的理论数值进行了比较。文献[12]中横流冲刷光管管簇阻力的计算式为：

图3 两种管束压降随雷诺数变化曲线

图4 两种管束欧拉数随雷诺数变化曲线

(6)

式中 Δh——横流冲刷光管管簇的阻力，Pa；

ω2ρ/2——动压，Pa，按管簇截面面积、空气平均温度计算流速ω和密度ρ；

ζ——管束的阻力系数，与管簇的构造形式有关。

把实验两种结构管束的实验值与按文献[12]计算的理论数值进行比较，绘得Δp0-Re0曲线和Eu0-Re0曲线(图5、6)。

图5 管束压降随雷诺数变化对比结果

图6 管束欧拉数随雷诺数变化对比结果

从图5、6可以看出，按文献[12]计算的理论数值与实验数值相比具有一定的差别。在图5中，两种结构管束的压降随雷诺数变化趋势相同，但按文献[12]计算的理论数值明显高于实验值。在图6中，两种结构管束的欧拉数随雷诺数的变化趋势却出现了相反的情况，实验结果的欧拉数随雷诺数的增加而增大，而按文献[12]计算的欧拉数却随雷诺数的增加而减小。

由此可知，在实验雷诺数范围内，适用于计算常规尺度横掠光滑圆管管束的流动阻力公式，不能为小尺度管壳式换热器壳侧阻力的计算提供准确参考。将表1的实验结果按Eu=CRem进行对数线性回归[13]，得到顺列结构和错列结构管束在实验工况下的阻力特性关联式：

顺列管束Eu=0.0003759Re0.89694

(7)

错列管束Eu=0.0309386Re0.44232

(8)

4 结论

4.1在相同节距比下，小尺度管壳式换热器顺列管束、错列管束的壳侧压降和欧拉数都随雷诺数的增加而增大。但是，错列管束的压降和欧拉数明显大于顺列管束的实验值。

4.2实验雷诺数范围内，适用于计算常规尺度横掠光滑圆管管束的流动阻力公式，不能为小尺度管壳式换热器壳侧阻力的计算提供准确参考。

4.3通过对实验数据进行对数线性回归，得到了错列、顺列管束在实验雷诺数范围内的阻力特性实验关联式。

[1] 李珍，张贝克.面向对象的换热器仿真系统设计[J].化工自动化及仪表，2013，40(12)：1497～1501.

[2] 张石铭. 化工容器及设备[M].湖北：湖北科技出版社，1984：25.

[3] 钱伯章. 回收烟气低温余热的涂塑管换热器[J].石油化工设备技术， 1986，7(5)：62.

[4] 戴传山，李彪，王秋香. 氟塑料换热器研究进展[J].化工进展，2011，30(z1)：633～636.

[5] 何国庚，郑贤德，林秀诚. 多排数翅片管空气冷却器的风阻特性试验研究[J]. 化工机械，1996，23(6)：311～314.

[6] 李庆领，郭玉玲. 矩形通道内椭圆棒束的换热及流阻特性[J]. 化工机械，1997，24(3)：130～133.

[7] Lu G D, Zhou Q T, Tian M C, et al. Heat Transfer Characteristics of Air Cross-flow for In-line Arrangement of Spirally Corrugated Tube and Smooth Tube Bundles[J].Journal of Zhejiang University Science A(Applied Physics and Engineering), 2005, 6(7): 670～675.

[8] 洪文鹏，辛凯，张全厚. 小尺度管壳式换热器流场的数值分析[J]. 化学工程，2012，40(5)：23～26.

[9] 洪文鹏，辛凯，孙通，等.小尺度管壳式换热器管程流场的数值仿真[J]. 计算机仿真，2013,30(3)：227～230.

[10] 洪文鹏，辛凯. 小尺度管壳式换热器流动和传热数值模拟[J]. 化工机械，2013，40(4)：471～475.

[11] 何法江，曹伟武. 空气横掠错列翅片管束流动与传热的数值研究[J]. 上海工程技术大学学报，2004，18(4)：289～292.

[12] 冯俊凯，沈幼庭. 锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，1998：575～580.

[13] 马其良，卓宁，张从宪，等. 空气横掠高频焊接螺旋肋片管束时放热与阻力特性实验研究[J]. 上海机械学院学报，1983，(2)：15～28.