多面折流片用于管式換熱器內(nèi)的強(qiáng)化傳熱性能

1、多面折流片用于管式換熱器內(nèi)的強(qiáng)化傳熱性能 更新時(shí)間：2010-05-24 15:13:50曹振恒1,2，閆紅文3，劉樹繁3，高曉明1,2，付峰1,2（1陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安716000；2延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西延安716000；3陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安710075）摘要：設(shè)計(jì)和制作了一種新型傳熱強(qiáng)化元件多面折流片，用于管式換熱器管內(nèi)的傳熱強(qiáng)化。初步測(cè)定了兩種尺寸結(jié)構(gòu)的折流片強(qiáng)化后換熱器管內(nèi)的對(duì)流傳熱努塞爾數(shù)、阻力損失、綜合性能評(píng)價(jià)因子與雷諾數(shù)的關(guān)系，并與空白實(shí)驗(yàn)相對(duì)照，實(shí)驗(yàn)表明：多面折流片能明顯改善管式換熱器的傳熱性能，可使管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)提高55%

2、100%，強(qiáng)化效果與多面折流片的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。折流片145的綜合性能評(píng)價(jià)因子在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均大于1，在Re=2000021000時(shí)，max=1.156，與無(wú)強(qiáng)化時(shí)相比，換熱器的綜合性能得到了明顯改善。關(guān)鍵詞：多面折流片；場(chǎng)協(xié)同；綜合性能評(píng)價(jià)因子；管式換熱器；內(nèi)強(qiáng)化換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，廣泛用于石化、煤化、輕工、航空航天等工程領(lǐng)域。在形式各異的換熱器中，管式換熱器仍占據(jù)主要地位。管式換熱器的傳熱強(qiáng)化早已成為工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。減少換熱器對(duì)流傳熱熱阻的簡(jiǎn)單方法是利用強(qiáng)化元件增加擾流，強(qiáng)化元件主要包括在換熱器中使用的螺紋管、橫紋管、縮放管、螺旋翅片管以及在換熱管中加擾流件來(lái)強(qiáng)化管內(nèi)

3、換熱等。在換熱管內(nèi)加入擾流件進(jìn)行強(qiáng)化傳熱在工業(yè)上已經(jīng)使用了很多年，它可以使總傳熱系數(shù)明顯的提高，大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設(shè)備重量，節(jié)約大量金屬材料。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于管式換熱器內(nèi)插件強(qiáng)化傳熱的研究1-8，本文以一種新型傳熱強(qiáng)化元件多面折流片為內(nèi)插件，初步研究了其對(duì)管式換熱器的傳熱性能的強(qiáng)化作用和影響。1.實(shí)驗(yàn)及方法1.1多面折流片的結(jié)構(gòu)我課題組設(shè)計(jì)、制作了一種新型傳熱強(qiáng)化元件多面折流片，可插入管式換熱器管內(nèi)作為傳熱強(qiáng)化元件，實(shí)驗(yàn)初步研究了該類傳熱強(qiáng)化元件對(duì)管式換熱器的傳熱性能、阻力性能以及綜合性能的影響。多面折流片制作前為一定尺寸的矩形金屬片，按圖1所示方式同向疊扭即成本實(shí)驗(yàn)所用的多面

4、折流片。圖1中，ABCCADDCE，并且均為等腰三角形，其中點(diǎn)A、C、D等均為上述等腰三角形的頂點(diǎn)。內(nèi)強(qiáng)化元件插入管程后如圖2所示，折流片單元三角形的頂點(diǎn)分別內(nèi)接于換熱器的管程內(nèi)壁的圓面上。多面折流片各單元三角形的頂點(diǎn)沿管軸方向的投影分別重合，即軸向投影所得ABC為一正三角形，三角形與內(nèi)壁之間的弓形空隙，可供流體自由通過(guò)。將上述折流片置于管式換熱器的圓形直管內(nèi)，流體沿軸線方向進(jìn)入管內(nèi)后，在多面折流片折面的強(qiáng)制作用下，管內(nèi)流體的流場(chǎng)將發(fā)生明顯改變，部分流體沿折面以某種方式繞流（見圖3），從而推動(dòng)和加強(qiáng)管壁處流體的湍動(dòng)，降低其對(duì)流給熱的熱阻，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的?？梢酝ㄟ^(guò)改變多面折流片單元三角形頂角

5、的角度，即改變圖1中ABC的頂角BAC的角度，達(dá)到改變多面折流片扭曲程度等尺寸參數(shù)的目的，從而比較不同尺寸結(jié)構(gòu)的折流片對(duì)管式換熱器的傳熱強(qiáng)化效果。本實(shí)驗(yàn)初步測(cè)定了BAC分別等于60o和145o的兩種不同形狀的多面折流片的內(nèi)強(qiáng)化傳熱性能，為方便，下文中分別記這兩種多面折流片為：折流片60、折流片145，并與空白實(shí)驗(yàn)，即無(wú)折流片的情況進(jìn)行了比較。1.2實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)所用的換熱器為套管式換熱器，內(nèi)管為紫銅管，外管為不銹鋼管。冷流體空氣走管程，熱流體水走殼程，逆流換熱。套管換熱器各結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)中控制空氣、水的流量，溫度等參數(shù)保持穩(wěn)定，測(cè)取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和對(duì)比。2.結(jié)果與討論

6、按照1.2節(jié)中所述的方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到套管換熱器內(nèi)管管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)Re、對(duì)流傳熱努塞爾數(shù)Nu、流動(dòng)阻力損失hf和綜合性能評(píng)價(jià)因子等數(shù)據(jù)，匯總列于表2。2.1對(duì)流傳熱努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，將套管換熱器內(nèi)管對(duì)流傳熱的努塞爾數(shù)Nu與其流動(dòng)雷諾數(shù)Re作圖，見圖4。由圖4可見，兩種尺寸的折流片均可使套管換熱器內(nèi)管對(duì)流傳熱的努塞爾數(shù)Nu明顯增加，由圖4和表1中數(shù)據(jù)估算可知，折流片60、折流片145可分別使管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)增加98%100%、55%95%。這是由于流體流經(jīng)多面折流片時(shí)，促使流體做類似螺旋式繞流，有效控制邊界層的發(fā)展，減薄層流內(nèi)層厚度，減小管內(nèi)傳

7、熱阻力，起到強(qiáng)化傳熱的目的。而且折流片單元三角形的頂角越小，則折流片的扭曲度越大，對(duì)管內(nèi)流體的擾動(dòng)越劇烈，徑向流動(dòng)加劇，從而使管壁處層流內(nèi)層的厚度進(jìn)一步減薄，故有Nu折流片60Nu折流片145Nu無(wú)折流片，并且管內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re越大（空氣流量越大），多面折流傳熱強(qiáng)化效果越顯著。2.2流體阻力損失與雷諾數(shù)的關(guān)系據(jù)表2數(shù)據(jù)，將換熱器內(nèi)管流動(dòng)阻力損失hf與其流動(dòng)雷諾數(shù)Re作圖，見圖5。由圖5可以看出，折流片的加入使得換熱器內(nèi)管的阻力損失有不同程度的增加，且有hf折流片60hf折流片145hf無(wú)折流片。雷諾數(shù)Re越大，阻力損失hf越大，但是，加裝折流片60的后的換熱器的阻力損失隨雷諾數(shù)增加的速率

8、遠(yuǎn)大于折流片145和無(wú)折流片的空白實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中流體作類似螺旋繞流運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力可以分為黏性作用引起的摩擦阻力和流向改變引起的形體阻力。多面折流片單元三角形頂角越小，折流片扭曲度就越大，折流片表面和流體主體流向之間的夾角就越大，使得形體阻力也快速增加。2.3綜合性能評(píng)價(jià)因子與雷諾數(shù)的關(guān)系綜合圖4和圖5可以看到，多面折流片單元三角形頂角越小，則所構(gòu)造的折流片的扭曲度越大，傳熱系數(shù)增加越多，同時(shí)，流體流動(dòng)的阻力損失也越大，這樣還無(wú)法判斷那一種折流片的總體性能更好。本文采用綜合性能評(píng)價(jià)因子來(lái)描述多面折流片強(qiáng)化傳熱的綜合性能9，其定義如式（1）。式中，Nu0、f0為無(wú)強(qiáng)化時(shí)換熱器內(nèi)管的傳熱努塞爾數(shù)和流體流

9、動(dòng)阻力系數(shù)；Nu、f為強(qiáng)化后換熱器內(nèi)管的傳熱努塞爾數(shù)和流體流動(dòng)阻力系數(shù)。綜合性能評(píng)價(jià)因子以無(wú)強(qiáng)化管為參照基準(zhǔn)，1表示強(qiáng)化元件的綜合性能較無(wú)強(qiáng)化時(shí)得到了加強(qiáng)，一般來(lái)說(shuō)，越大說(shuō)明其綜合性能越好。據(jù)表2數(shù)據(jù)，將本文所用的兩種多面折流片強(qiáng)化傳熱的綜合性能評(píng)價(jià)因子與管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)Re作圖，見圖6。圖6可以看出，折流片145的綜合性能評(píng)價(jià)因子曲線在=1的上方，表明這種多面折流片使得管程的綜合傳熱性能得到改善。而折流片60的綜合性能評(píng)價(jià)因子均小于1，表明這種多面折流片雖然可強(qiáng)化傳熱，但阻力增加過(guò)多，導(dǎo)致其綜合性能較差。折流片60和折流片145的綜合性能評(píng)價(jià)因子在雷諾數(shù)Re約為20000附近處分別達(dá)到最大值，

10、說(shuō)明該類傳熱強(qiáng)化元件存在與之匹配的、適宜的流動(dòng)雷諾數(shù)值，也說(shuō)明多面折流片特殊的多平面結(jié)構(gòu)基本符合場(chǎng)協(xié)同原理1011優(yōu)化換熱器傳熱性能的要求。3結(jié)論本文所用兩種多面折流片（折流片60和折流片145）可分別使套管換熱器管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)提高55%95%和98%100%。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，折流片145的綜合性能評(píng)價(jià)因子均大于1，在Re=2000021000時(shí)，綜合性能評(píng)價(jià)因子達(dá)到最大值約為1.156，換熱器的綜合性能得到明顯改善。多面折流片簡(jiǎn)單而特殊的結(jié)構(gòu)正好可以發(fā)揮其較好的場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)，從而使得換熱器的綜合性能明顯改善。多面折流片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管式換熱器的綜合性能起決定性作用。折流片強(qiáng)化換熱主要是利用流體旋繞