三維翅片管外螺旋流動(dòng)傳熱強(qiáng)化

1、三維翅片管外螺旋流動(dòng)傳熱強(qiáng)化張正國，余昭勝，方曉明，高學(xué)農(nóng)(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)摘 要：流體在螺旋隔板換熱器的殼程類似于塞狀流流動(dòng)，幾乎沒有返混和流動(dòng)死區(qū)在相同壓降下，其傳熱系數(shù)比普通的弓形隔板換熱器高得多以潤(rùn)滑油作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，研究了潤(rùn)滑油在螺旋隔板單管換熱器的殼程傳熱和壓降性能，并與光滑管進(jìn)行了性能對(duì)比采用Wilson圖解法分別分離出了螺旋隔板花瓣管和光滑管單管換熱器的管程傳熱系數(shù)，并計(jì)算出各自的殼程傳熱系數(shù)，殼程傳熱系數(shù)相對(duì)誤差為±3%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同Reynolds數(shù)下，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的Nusselt數(shù)和壓降p分

2、別是螺旋隔板光滑管單管換熱器換熱器相比，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的傳熱性能的提高遠(yuǎn)高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，花瓣管具有很好的傳熱強(qiáng)化性能關(guān)鍵詞：花瓣管；螺旋隔板；傳熱強(qiáng)化Heat transfer enhancement for helical flowing outside three-dimensional fin tubeZHANG Zhengguo, YU Zhaosheng, FANG Xiaoming, GAO Xuenong(Key Laboratory of Enhanced Heat Tran.s fer and Energy Conservation, Minis

3、try of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: The flow pattern on the shell side of a helically baffled heat exchanger is near plug flow conditions, which almost eliminates backmixing and dead space on the shell side. The heat transfer coefficie

4、nt of the helically baffled heat exchanger is much higher than that of conventional segmental baffle heat exchanger at the same pressure drop, In this paper, experiments were conducted for cooling water flowing in the tube side on the helically baffled heat exchanger with lubricating oil as the work

5、ing medium flowing on the shell side. The tested tubes included one petal-shaped finned tube and one smooth tube elected for performance comparisom The heat transfer coefficients were obtained by using the Wilson plot method and pressure drop on the shell side was directly measured for the two heat

6、exchangers. The relative error of heat transfer coefficient on the shell side was within +3%. The results showed that the Nusselt numbers and pressure drops on the shell side of the helically baffled heat exchanger with petal-shaped finned tube were 2-2.7 and l. 3-1.4 times larger than those of the

7、helically baffled heat exchanger with smooth tube at constant Reynolds number, respectively, The petal-shaped finned tube could significantly improve the shell side heat transfer performance for the helically baffled heat exchanger.Key words: petal-shaped finned tube; helical baffle; heat transfer e

8、nhancement引 言殼管式換熱器廣泛應(yīng)用于化工、石化、動(dòng)力和制冷等領(lǐng)域，是量大面廣的通用設(shè)備，其傳熱效率的高低直接影響到過程或工藝的能源利用效率螺旋隔板換熱器是一種新型的強(qiáng)化傳熱型換熱器，近些年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)螺旋隔板換熱器進(jìn)行了大量的研究工作Kral等1以有機(jī)玻璃的模型換熱器為對(duì)象，采用染料作為示蹤劑的“刺激一響應(yīng)技術(shù)(stimulus-response technique)”，研究了螺旋隔板換熱器殼程流體的流動(dòng)特性結(jié)果表明：殼程流體類似于塞狀流(plug flow)流動(dòng)且?guī)缀鯖]有返混和流動(dòng)死區(qū)Kral等還以水一水換熱為對(duì)象，研究了螺旋隔板換熱器的傳熱性能及螺旋角的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

9、：螺旋角為40°時(shí)，換熱器的傳熱性能最高Wang2采用LDA (laser Doppler anemometry)技術(shù)對(duì)螺旋隔板換熱器的殼程流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并研究了螺旋角的變化對(duì)流場(chǎng)的影響總體來看，隨著螺旋角的減小，線速度和脈沖速度增大，從而有利于促進(jìn)傳熱，但流體的流動(dòng)損失也增大也有學(xué)者提出將強(qiáng)化管與螺旋隔板相結(jié)合以進(jìn)一步提高螺旋隔板換熱器的傳熱性能，Chunangad等3以海水冷卻平臺(tái)氣為對(duì)象，研究了螺旋隔板低肋管換熱器的傳熱性能，結(jié)果表明，在相同熱負(fù)荷下，螺旋隔板低肋管換熱器的總換熱面積和壓降均為普通弓形隔板光滑管換熱器的一半低肋管為二維翅片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化管，按照Bergles4的觀

10、點(diǎn)，它為第二代的傳熱技術(shù)但很少有螺旋流條件下三維翅片管與光滑管傳熱性能對(duì)比的研究報(bào)道花瓣管具有特殊的三維翅片結(jié)構(gòu)5，為第3代傳熱技術(shù)本文以水冷卻美孚潤(rùn)滑油( Mobilther Light，603)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了潤(rùn)滑油在作者自主開發(fā)的花瓣管(petal-shaped fin tube，簡(jiǎn)稱PF tube)外螺旋流動(dòng)的傳熱與壓降性能，并與光滑管進(jìn)行了性能對(duì)比1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，主要由螺旋隔板單管換熱器、油箱、水箱和測(cè)量系統(tǒng)組成，潤(rùn)滑油在油箱中被加熱到給定溫度后，經(jīng)油泵送到螺旋隔板單管換熱器的殼程流動(dòng)，來自水箱的冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)并與殼程潤(rùn)滑油呈逆流換熱冷卻水、潤(rùn)滑油的溫度由直接連接

11、電腦的數(shù)據(jù)采集儀( data acquisition/switch unit)獲得；冷卻水的流量用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得，油流量用橢圓齒輪流量計(jì)及秒表計(jì)算得到，殼程的進(jìn)出口壓力差由壓力差計(jì)測(cè)得，油箱里的油溫用恒溫控制裝置調(diào)控溫度螺旋隔板單管換熱器是由纏繞螺旋隔板的實(shí)驗(yàn)管套人內(nèi)徑為27 mm的圓管內(nèi)而構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)傳熱管包括一根花瓣管和一根光滑管，花瓣管的三維翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1兩根實(shí)驗(yàn)管外纏繞的螺旋隔板其結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)相同，隔板間距18 mm，螺旋角40°，隔板的外圓直徑與外套管內(nèi)徑負(fù)偏差低于1 mm.纏繞螺旋隔板的花瓣管和光滑管的照片如圖2所示1-oil storage tank；2-oil

12、 pump；3-oil flow meter；4, 5-oil valve；6-test section；7, 11, 12-water valve；8-water flow meter；9-water pump；10-water storage tank；13-computerFig.1 Schematic diagram of test apparatus Fig.2 Tested tubes wrapped with helical baffleTable l Geometrical parameters of tested tubesTube typeStaring smooth tu

13、be/mmFin height /mmFin space/mmFin pitch/mmFin efficiencyEfficient length/mmsmooth tube16×1.51570P.F tube16×1.51.51.01.22.45702 實(shí)驗(yàn)方法為便于固定螺旋隔板，需在管外滾軋加工螺旋溝槽，在管內(nèi)就形成了螺旋凸肋，因此管內(nèi)水的對(duì)流傳熱系數(shù)未知，而且本實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量壁溫來計(jì)算殼程傳熱系數(shù)很困難，在這種條件下，經(jīng)常是采用Wilson圖解法6獲得管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，再計(jì)算出管外的對(duì)流傳熱系數(shù)殼程熱負(fù)荷 （1）管程熱負(fù)荷 （2）管程和殼程的定性溫度均取進(jìn)出口的平均

14、溫度或本實(shí)驗(yàn)中，管程熱負(fù)荷與殼程熱負(fù)荷偏差的絕對(duì)值小于2%，熱平衡較好以坯管外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)可表示為 （3）其中 （4） （5） （6） （7） （8）總傳熱系數(shù)可以表示為 （9） 在保持管外油流量及定性溫度基本不變的情況下可保證o不變，另外由于本實(shí)驗(yàn)所用傳熱管是新加工的，故可認(rèn)為Ro約等于零，可得 （10） （11）令故式(9)可寫成線性方程 （12） 對(duì)式(12)進(jìn)行線性回歸即可得出系數(shù)m、b，從而分離出換熱器管程的傳熱系數(shù)i，并由式(10)計(jì)算出殼程傳熱系數(shù)o通過誤差傳遞公式7，計(jì)算出殼程傳熱系數(shù)的相對(duì)誤差為±3%3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析Wilson圖解法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和

15、圖4所示Fig.3 Wilson plot results for smooth tube Fig.4 Wilson plot results for petal shaped fin tube根據(jù)圖3和圖4的結(jié)果，分別得出螺旋隔板光滑管和花瓣管單管換熱器的管程水的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)系式如下 （13） （14）Re的范圍為1000022000，Pr的范圍為5.35.8從式(13)和式(14)可以看出，由于管內(nèi)凸肋的存在，使得其對(duì)流傳熱系數(shù)比經(jīng)典的DittusBoelter公式8的計(jì)算值大同時(shí)，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)明顯高于螺旋隔板光滑管單管換熱器，其原因是，花瓣管上固定螺旋隔板

16、，須加工更深的螺旋溝槽，從而導(dǎo)致管內(nèi)凸肋高度增大同時(shí)，加工花瓣管時(shí)對(duì)管內(nèi)表面也產(chǎn)生影響，使流體湍動(dòng)增強(qiáng)，傳熱系數(shù)增大圖5為螺旋隔板花瓣管單管換熱器和螺旋隔板光滑管單管換熱器的殼程油流體的Nusselt數(shù)與Reynolds數(shù)的關(guān)系式，由圖5可以看出，隨著Re的增大，殼程N(yùn)u也增大，花瓣管比光滑管增加的幅度更大在相同Re下，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的殼程N(yùn)u是螺旋隔板光滑管單管換熱器的22.7倍Fig.5 Nusselt number vs Reynolds number for smooth and petal-shaped fin tube圖6為螺旋隔板花瓣管單管換熱器和螺旋隔板光滑管單管換熱

17、器的殼程油流體的壓降p與Re的關(guān)系式，從圖中可以看出，隨著Re的增大，p明顯增大，且兩臺(tái)換熱器的增幅大體相當(dāng)在相同Re下，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的殼程壓降p是螺旋隔板光滑管單管換熱器的1.31.4倍對(duì)比螺旋隔板光滑管單管換熱器的Nu和p，可以看出，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的Nu的增幅比p大得多，證明其具有良好的強(qiáng)化傳熱性能花瓣管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理為：花瓣管的外表面積是光滑管的2.4倍，面積的增加提高了傳熱性能；潤(rùn)滑油在花瓣管外螺旋流動(dòng)時(shí)，花瓣管特殊的三維翅片對(duì)潤(rùn)滑油產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，激發(fā)了潤(rùn)滑油邊界層流體的湍動(dòng)和分離，從而強(qiáng)化了傳熱Fig.6 Pressure drop vs Reynolds

18、 number for smooth and petal-shaped fin tube4 結(jié) 論(1)對(duì)于螺旋隔板花瓣管和光滑管單管換熱器，隨著殼程油流體Re的增大，其Nu和壓降p也增大，在相同Re下，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的Nu和p分別是螺旋隔板光滑管單管換熱器(2)與螺旋隔板光滑管單管換熱器相比，螺旋隔板花瓣管單管換熱器的傳熱性能的提高遠(yuǎn)高于壓降的提高，證明在螺旋流條件下，花瓣管具有很好的傳熱強(qiáng)化性能符號(hào)說明b，c，e，m常數(shù)t溫度，Kcp比定壓熱容，J·kg-1·K-1V體積流量，m3·s-1di，do分別為坯管內(nèi)徑、外徑，m傳熱系數(shù)，W·m-

19、2·K-1Fi，F(xiàn)o分別為坯管內(nèi)表面積、外表面積，m2熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1K總傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1密度，kg·m-3l有效管長(zhǎng)，mPrPrandtl數(shù)下角標(biāo)Q熱負(fù)荷，Wi進(jìn)口ReReynolds數(shù)m平均Rs污垢熱阻，m2·K·W-1o出口Rw管壁熱阻，m2·K·W-11殼程T定性溫度，K2管程References1 Kral D, Stehlik P, van der Ploeg H J, Master B I. Helical baffles in shell-and-tube

20、heat exchangers ( I ) : Experimental verification. Heat Transfer Engineering, 1996, 17 (1): 93-1012 Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical baffles. Heat Trans fer Engineering, 2002, 23 (3) : 43-493 Chunangad K, Oonnell Jr, Master B I. Helifin heat exchanger/Shah R K. Proceedings of the International Conference on Compact Heat Exchangers for the Process Industries. New York: Begell House, 1997: 281-2894 Bergles A E. Enhanced heat transfer: endless frontier, or mature and routine.