幾種換熱管強(qiáng)化傳熱性能實(shí)驗(yàn)分析與比較

1、2003年第31卷第6期 流 體 機(jī) 械 7文章編號(hào): 1005 0329(2003 06 0007 04幾種換熱管強(qiáng)化傳熱性能實(shí)驗(yàn)分析與比較2俞惠敏1 蔡業(yè)彬1、(1. 茂名學(xué)院, 廣東茂名 525000 2. 華南理工大學(xué), 廣東廣州, 510641摘 要: 選擇光管、螺紋管、波紋管換熱器進(jìn)行傳熱性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明波紋管換熱器的總傳熱系數(shù)最大, 其次是螺紋管, 最小是光管; 螺紋管的管內(nèi)(熱側(cè) 壓降最大, 其次是波紋管, 最小是光管; 管外(冷側(cè) 三種管型壓降相差不大。最后確定波紋管為此次換熱器改造的管型。關(guān)鍵詞: 波紋管; 螺紋管; 光管; 換熱器; 傳熱性能中圖分類號(hào): TQ051

2、15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: AExperiment Analysis and C omparison to the Intensify TransmitHeat Function of Several Kinds of Exchanger TubeYu Hui min Cai YebinAbstract: According to the i ntensify transmit heat theory, several kinds of the exchanger tube (light tube, whorl tube, ripple tube is chosed to do the experim

3、ent of the intensify transmi t heat function. The results indicated:the total transmit heat coefficient of ripple tube is the largest, then the whorl tube and the third the light tube; the pressure drop in the whorl tube (hot side is the largest, then the rip -ple tube and the third the ligh t tube;

4、 the pressure drop out of the tube (cold side has hardly any difference finally.The triple tubes for the tube type of the reform exchanger is determined.Keywords: triple tube; whorl tube; light tube; exchanger; transmit heat function符 號(hào)K 傳熱系數(shù), W/(m 3. e A 給熱系數(shù), W /(m 2#eM 污垢及金屬熱絕緣系數(shù), m 2#e /W $P 壓力降

5、, kPa J 比壓力降, kPa/NTU L 運(yùn)動(dòng)粘度, m 2/s Q 密度, kg/m 3K 導(dǎo)熱系數(shù), W/(m #e D e 殼體當(dāng)量直徑, m S 流道橫截面面積, m 2G 體積流量, m /h V 流速, m/s下 標(biāo)h 熱流體c 冷流體31 強(qiáng)化傳熱方案選擇的理論依據(jù)某石化公司重整生成物換熱器傳熱效果一直不好, 從現(xiàn)場(chǎng)重整生成液出口溫度實(shí)測(cè)值可看出, 換熱器的換熱性能不能適應(yīng)生產(chǎn)波動(dòng), 導(dǎo)致整個(gè)鉑重整裝置不能滿負(fù)荷運(yùn)行, 制約了工廠生產(chǎn)能力和效率的提高, 因此需要對(duì)此進(jìn)行改造, 改造的重點(diǎn)放在提高現(xiàn)有換熱器的換熱效率上。重整生成液換熱器為一浮頭式換熱器, 仍屬管殼式換熱器的范

6、疇, 其強(qiáng)化傳熱主要為強(qiáng)化管程和強(qiáng)化殼程兩方面。該換熱器殼程走重整生成液, 管程走循環(huán)冷卻水, 由計(jì)算和實(shí)測(cè)均得出熱阻主要在生成液方面, 即在殼程。故要提高該換熱器的換熱效率, 有效的辦法是強(qiáng)化殼程傳熱。目前, 國(guó)內(nèi)外強(qiáng)化殼程傳熱的方法主要有兩種, 一種是通過(guò)對(duì)管子形狀或表面性質(zhì)的改造來(lái)改變流體在管壁處的13收稿日期: 2002 08 198 FLUID MAC HI NERY Vol. 31, No. 6, 2003流動(dòng)方式和傳熱機(jī)理, 從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的(這種方式主要有低肋管、表面多孔管和翅片管等 ; 另一種是采用低流阻殼程支承結(jié)構(gòu), 盡可能消除流體流動(dòng)和傳熱的死區(qū), 變殼程流體橫流為

7、縱向流動(dòng), 使傳熱面積得到充分利用。由于縱向流的流動(dòng)阻力小, 殼程的流速可大大提高, 因此在殼程流量大的情況下, 能顯示出良好的傳熱性能(如網(wǎng)狀整圓形折流板和折流桿支承裝置等 。通過(guò)幾種方案的初步比較(如將原來(lái)的弓形折流板支承結(jié)構(gòu)更換為折流桿支承結(jié)構(gòu); 或?qū)⒐夤芨臑榈屠吖芑虺崞艿?, 同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用條件和改造成本等, 認(rèn)為在不更換原殼體的條件下采用改變管子形狀的強(qiáng)化傳熱措施更方便和經(jīng)濟(jì)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)4知道, 當(dāng)傳熱管兩側(cè)的A 值相差25倍時(shí), 采用低肋管較合適。若A 相差10倍以上, 用翅片管較合理。通過(guò)傳熱計(jì)算和實(shí)測(cè), 需改造的換熱器冷卻水側(cè)的給熱系數(shù)比生成液側(cè)大23倍, 采用低肋管合

8、適。因此初選螺紋管和波紋管作為此次換熱器改造的主要管型。外螺紋(或波距 (mm內(nèi)波紋(或波寬 (m m2 管子的傳熱性能實(shí)驗(yàn)211 實(shí)驗(yàn)?zāi)康穆菁y管是在光管的外表面環(huán)向滾壓制成的整體低翅片管, 其實(shí)驗(yàn)及結(jié)果已有不少報(bào)道5, 6, 已有比較完善的傳熱與阻力系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。波紋管是在普通換熱管(光管 的基礎(chǔ)上經(jīng)特殊工藝加工而成的一種管內(nèi)外都有凹凸波形、既能強(qiáng)化管內(nèi)又能強(qiáng)化管外的雙面強(qiáng)化管, 由于問(wèn)世時(shí)間較短其傳熱與阻力計(jì)算還不完善。本實(shí)驗(yàn)的目的是首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究, 比較光管、螺紋管和波紋管三種不同管型的管內(nèi)、外壓降和傳熱性能, 得到在同一裝置上螺紋管和波紋管這兩種強(qiáng)化傳熱管的強(qiáng)化傳熱效果, 為確定最佳

9、管型提供依據(jù); 其次通過(guò)實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證波紋管換熱器的傳熱與阻力計(jì)算。212 實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)裝置為一套管換熱器, 內(nèi)管為實(shí)驗(yàn)所用的光管、螺紋管和波紋管, 具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。熱側(cè)當(dāng)量直徑(mm 20. 020. 020. 0冷側(cè)當(dāng)量直徑(mm 12. 512. 512. 5熱側(cè)流道截面積(m 2 0. 0003140. 0003140. 000314冷側(cè)流道截面積(m 2 0. 0006140. 0006140. 000614表1 實(shí)驗(yàn)管的結(jié)構(gòu)尺寸管型光管螺紋管波紋管規(guī)格( mm Á252. 52000Á252. 52000Á252. 52000材料101010傳

10、熱面積(m 2 0. 1343030. 1343030. 141573. 50. 7180. 4512測(cè)試裝置、測(cè)試流程、測(cè)試儀表和測(cè)試方法等均符合JB/TQ41 875管殼式換熱器產(chǎn)品性能測(cè)試方法6標(biāo)準(zhǔn)的要求。測(cè)試裝置及流程見圖1。測(cè)點(diǎn)3, 閥4(逆流 , 或測(cè)點(diǎn)4, 閥5(順流 , 排入冷卻水池。冷、熱水溫度用溫度計(jì)測(cè)得, 冷、熱水流量可用流量計(jì)測(cè)出, 分別在流量計(jì)2、1處讀取。熱水箱的水溫可設(shè)法加以控制, 使其維持在某一溫度上。本次實(shí)驗(yàn)傳熱面兩側(cè)介質(zhì)為水-水, 逆流運(yùn)行, 熱流體走管內(nèi), 冷流體走管外(套管 。測(cè)試方法:為了確定換熱器的傳熱及流體阻力特性, 進(jìn)行了水-水等流速測(cè)試, 其流

11、速范圍為0. 63. 0m/s 。測(cè)試中, 當(dāng)冷熱流體熱平衡相對(duì)誤差5%時(shí), 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。213 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論21311 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析原始測(cè)試數(shù)據(jù)未列出。(1 傳熱性能:傳熱系數(shù)與流速的K -V 測(cè)試曲線見圖2。(2 流體阻力性能:各種管型壓力降與流速的P -V 、4。圖1 各種管型傳熱實(shí)驗(yàn)裝置及流程電熱水箱中的水被加熱到某一溫度后, 由水泵1送入換熱器的測(cè)試管中, 與套管內(nèi)的冷卻水換熱后, 返回?zé)崴?。冷卻水從冷卻水池進(jìn)入冷水箱, 被水泵2抽出后, 通過(guò)閥3, 溫度測(cè)點(diǎn)4(逆流 , 或通過(guò)閥2, 溫度測(cè)點(diǎn)3, 順流進(jìn)入套管, 再由 2003年第31卷第6期 流 體 機(jī) 械 9

12、驗(yàn)中, 我們對(duì)所獲得的波紋管有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析, 采用通用的指數(shù)形式, 分別得到了波紋管傳熱與阻力性能的回歸關(guān)聯(lián)式。波紋管傳熱準(zhǔn)則方程為:Nu h =0. 0332Re h 0. 7660Pr h 0. 3Nu c =0. 1686Re h 0. 6970Pr c 0. 4波紋管阻力性能準(zhǔn)則方程為:Eu h =26. 34Re h -Eu c =31. 93Re c -圖2 傳熱系數(shù)與 流速的測(cè)試曲線0. 13810. 0707(5 測(cè)試誤差:處理測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí), 采用了均方根誤差R 來(lái)衡量測(cè)試與計(jì)算之間的誤差。其值為:R k =1. 96%R $Ph =3. 24%R $Pc =1. 62%(

13、6 相關(guān)量的計(jì)算公式:V =G /(S 3600 Re =D e V/L ; A =Nu K /D e1/K =1/A h +1/A c +M $P h =Eu h V 2Q (Pa $P c =Eu c V 2Q (Pa 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明波紋管的總傳熱系數(shù)最大, 其次是螺紋管, 最小是光管; 螺紋管的管內(nèi)(熱側(cè) 壓降最大, 其次是波紋管, 最小是光管; 管外(冷側(cè) 三種管型壓降相差不大。2. 3. 2 管型的確定通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與比較, 在相同的條件下波紋管的傳熱系數(shù)增長(zhǎng)較大, 比光管提高55%, 比螺紋管提高17. 2%, 且管內(nèi)外均能強(qiáng)化傳熱。雖然其管內(nèi)壓降比光管稍大, 但由于現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水

14、泵仍有潛力, 故采用波紋管, 重整生成物冷卻圖3 壓力降與流速的測(cè)試曲線圖4 壓力降與流速的測(cè)試曲線器在原殼徑不變情況下將具有最好的換熱效果。3 光管及波紋管換熱器理論分析與計(jì)算本文還利用程序(EXC H 對(duì)光管及波紋管換熱器進(jìn)行了確定方案的熱平衡核算。分別對(duì)兩臺(tái)并聯(lián)的5900、4管程波紋管換熱器; 一臺(tái)51400、6管程波紋管換熱器和一臺(tái)51400、4管程波紋管換熱器幾種方案核算, 同時(shí)采用中國(guó)石化洛陽(yáng)石油化工工程公司開發(fā)的波紋管換熱器計(jì)算程序軟件:(3 傳熱面兩側(cè)為水-水逆流運(yùn)行, 定性溫度40e , 流速2. 0m/s , 測(cè)試計(jì)算結(jié)果見表2。管型光管螺紋管波紋管表2 測(cè)試計(jì)算結(jié)果$P

15、h (kPa K W/(m 2#e 279537104347. 513. 235. 821. 8$P c (kPa 60. 661. 562. 1(4 回歸波紋管傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式:通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了大量的數(shù)據(jù), 由于流動(dòng)的復(fù)雜性, 工程10 FLUID MAC HI NERY Vol. 31, No. 6, 2003(1 在較低熱負(fù)荷(設(shè)計(jì)能力的65%處理量 情況下, 光管換熱器在保證足夠循環(huán)冷卻水流量時(shí)可滿足換熱要求。(2 在高熱負(fù)荷(設(shè)計(jì)能力的100%處理量 情況下, 光管換熱器在保證循環(huán)冷卻水高流量150000kg/h 時(shí), 勉強(qiáng)可保證換熱要求, 但是一般情況下難以保證如此高的冷卻水流量

16、。(3 波紋管換熱器在一般冷卻水流量的情況下可滿足高熱負(fù)荷工作需要, 但殼程壓力降過(guò)大, 為提高管程冷卻水流速降低殼程壓力, 在保證足夠換熱面積情況下可將管束總數(shù)目減少10%, 換熱效果更好。(4 波紋管換熱器最好工作參數(shù)是高熱負(fù)荷下; 冷卻水流量100000kg/h ; 冷卻水進(jìn)、出口溫度為3342e 。(5 根據(jù)計(jì)算結(jié)果, 若波紋管換熱器的管子數(shù)仍用原光管換熱器的1192根, 則換熱器的管程水流速偏低, 殼程壓降過(guò)高。為提高管程水流速和降低殼程壓降, 將波紋管換熱器的管子數(shù)由1192根減少到1076根, 減少了10%。將循環(huán)水進(jìn)出口溫度控制在3342e , 則殼程的壓降可由152. 8kP

17、a 降低到137. 3kPa , 水流速度則由0. 299m/s 提高到0. 331m/s 。換熱效果可望明顯改善, 從而滿足裝置生產(chǎn)工藝的要求。顯然, 這樣既利用了原有設(shè)備, 又節(jié)省了改造成本。4 結(jié)論(1 通過(guò)實(shí)驗(yàn), 得到了波紋管(單管 的傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式;(2 波紋管比螺紋管強(qiáng)化殼程傳熱更有效, 這主要在于波紋管凹凸部分較長(zhǎng), 內(nèi)外表面積比后者大, 因此強(qiáng)化傳熱效果明顯。作者簡(jiǎn)介:俞惠敏, 女, 1963年出生, 碩士, 副教授, 現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化等專業(yè)的教學(xué)與科研工作。通訊地址:525000廣東茂名市官渡二路139號(hào)茂名學(xué)院科研處。(3 由理論計(jì)算可知, 標(biāo)準(zhǔn)波紋管換熱

18、器比原光管換熱器總傳熱系數(shù)約提高55%, 但殼程壓降增加45%。在原工藝流程不變的情況下, 使重整裝置能夠滿負(fù)荷運(yùn)行。(4 光管和波紋管換熱器計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符, 為確定新?lián)Q熱器的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。(5 總管束數(shù)目減少10%, 波紋管換熱器比原光管換熱器總傳熱系數(shù)提高約60%, 殼程壓降僅增加30%。換熱器傳熱效果更佳, 提高了生產(chǎn)效率, 獲得了較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(6 重整生成物換熱器是在原有換熱器的殼體不變的情況下, 將傳熱光管改為波紋管, 改造簡(jiǎn)便易行, 經(jīng)濟(jì)實(shí)用, 這種改造方法非常適合其它在役換熱器的改造。參考文獻(xiàn)1 閻皓峰, 甘永平. 新型換熱器及傳熱強(qiáng)化M .北京:宇航出版社, 1991: