列管式换热器传热和流动阻力特性实验研究

李改军 赵宗强 新疆圣雄氯碱有限公司

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，是人类文明进步不可或缺的基本条件。在中国社会主义现代化的伟大进程中，能源问题始终是一个重大的战略问题。为缓解能源与经济发展的矛盾，节能技术的研究发展显得尤为重要[1]。换热器是一种广泛应用的节能设备，是工农业传热过程中必不可少的工具，在化工、石油、冶金、核能、电子、粮食干燥等领域都有很广泛的应用。列管式换热器由于其结构简单、制造容易和维修方便，在换热器行业中占有很大的比重。强化传热技术是提高列管式换热器能量转换效率最重要的技术手段之一，国内外学者对强化传热技术也进行了广泛和细致的研究[2]。

强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能科学技术。强化传热技术的主要内容是改进换热器结构、采用强化传热元件来提高传热效率，并且降低设备运行和维护的费用。热量传递方式一般分为三种：热传导、热对流及热辐射，故对强化传热技术的研究也是从这三种方式展开的，而对流换热方式一直是研究的热点[3]。在流体无相变的对流换热过程中，影响对流换热强度的因素主要有：流体的物性、流体的流动状态、流动环境的大小及形状等，工程实际应用中会综合考虑各种因素来达到较好的换热效果。

一、实验系统及方法

（一）实验装置

本文实验由自行设计并在安徽环态生物能源科技开发有限公司搭建的开式换热器平台上完成，实验系统分为风路和水路循环两部分。采用热水加热冷空气，换热管内通热水，管外空气横掠管束进行换热。在引风机的作用下，空气先后经过前稳定段、实验段、后稳定段、收缩段和测速段，最后从引风机出口排出。热水在水泵的作用下，从智能温控锅炉流出，并依次流过阀门、水泵、电磁流量计和实验管管内，最后流回锅炉中。温度传感器测量得到的数据由安捷伦34970A数据采集仪读取并同步保存于电脑中[4]。

实验段长、宽和高的尺寸均为550mm，采用正五边形及正三角形两种管束排列方式，换热管为Φ45×3mm的碳钢管，测速段为边长300mm，长1.5m的方管。

（二）实验方法

实验时，调节水泵变频器频率控制热水流量，通过计算得出每根换热管内雷诺数在11000左右，满足单管内水流为湍流状态。智能温控锅炉能在较长时间内保持热水出口温度为一恒定值，温度值上下波动＜0.5℃。通过引风机变频器调节引风机流量，计算得到在换热管内雷诺数恒定时空气侧的一组雷诺数，再测量并计算对应的热水和空气的换热量和空气侧压降。

具体实验步骤如下：

（1）实验段先采用正三角形管束排列方式，其中电磁流量计水平安装于水泵下游，且保证其上游直管段≥10DN，下游直管段≥5DN，其中DN为直管段管径。

（2）在前、后稳定段同一截面处各均匀布置9个温度测点，并分别安装热电阻温度计以测量空气进出口温度。微压计与L型皮托管一道用于测量空气流经实验段的压差，其测点布置与温度测点布置相同。在测速段前5/8长度处同一横截面上均匀布置5个测点，用于空气流速的测量。在靠近实验段的热水进、出口管道内各安装一个热电阻温度计以分别测量热水进出实验段的温度。所有温度计均连接数据采集仪。

（3）打开引风机，以检查风路中有无明显漏风。智能温控锅炉内装满水，打开水泵、全开水泵变频器，检查水路循环系统中是否存在漏水。若气密性良好，则进行下一步实验，否则重新密封各管段连接处。

（4）打开引风机，调节引风机变频器至某一频率，并在测速段测量空气流速，记录频率值及对应的风速值；继续调节引风机变频器频率，得到一组频率与风速的实验值。关闭引风机。

（5）将智能温控锅炉内热水加热到一定温度（60℃），待水温稳定后（上下波动＜0.5℃），打开水泵，调节水泵变频器频率并观察电磁流量计示数，当热水流量达到预先设定的值后，记录此时水泵变频器频率，整个实验过程保持该流量值不再变化。打开引风机，调节引风机变频器频率在某一实验值，打开数据采集仪及电脑，观察空气进、出口温度及热水进、出口温度变化曲线，待各温度值稳定后，开始测量并记录实验段前后空气的压差及测速段空气流速。维持温度曲线稳定时间在1h左右后，停止该组实验，关闭实验仪器。所有温度数据同步保存于电脑中。

（6）重复第5步，直到完成相同热水流量和初始温度（60℃）条件下，按第4步设定的风机变频器所有工况的实验。

（7）更换实验段为正五边形管束排列方式，重复上述实验。

图1 温度测点布置示意图

二、实验结果分析

当Re在5000～9400范围内时，综合性能评价因子η在0.983～1之间，此时正五边形管束综合传热性能不及正三角形管束（图2）。当Re在9400～22000范围内时，综合性能评价因子η在1～1.08之间，均大于1，说明在此Re范围内，正五边形管束较正三角形管束的综合传热性能有所提高。随着Re的增加，η值呈上升趋势，说明综合传热性能提高幅度随着Re的增加而增大，在高Re时，正五边形管束的综合传热性能比正三角形管束更好。

图2 综合性能评价因子η随雷诺数Re的变化规律

三、结语

当Re在5000～9400范围内时，综合性能评价因子η＜1，正五边形管束综合传热性能不及正三角形管束；当Re在9400～22000范围内时，η在1～1.08之间，正五边形的综合传热性能更佳。空气流经管束的对流换热中，高 Re 时可采用正五边形管束排列方式以提高管束的综合传热性能。