梯形波帶內控件強化換熱的實驗研究

梯形波帶內控件強化換熱的實驗研究

在現代工業(yè)中，換熱設備占很大比例。如何提高換熱設備的傳熱能力,以較低的投人獲取較大的效益,在能源日益緊張的今天,已成為不容忽視的問題。強化傳熱技術便是解決這一問題的有效辦法。強化傳熱的方法較多,其中管內插人物強化方式特點最為顯著。國內外見著報導的有插人直條形和螺線形插件,管內插入擾流裝置相對成本低,工藝簡單,清潔容易,并可以有效防止污垢生成,對舊設備的革新挖潛尤為有利。筆者將研究在不增加流量的情況下,通過增設內置梯形波帶使換熱管內流體團塊移動到壁面后,沿梯形波帶斜片回到中部流動,以提高其傳熱的系數。采用實驗的方法,在相似理論的基礎上,制作實驗模型,設計不同幾何參數梯形波帶擾流組件。測量實驗數據,并進行實驗數據處理,線性回歸出換熱器的傳熱計算關系型。1實驗1.1鋼管傳熱及水浴從體角度傳熱實驗設計了如圖1所示的實驗流程。換熱實驗管段部分為可拆式的水浴套筒套管,傳熱內管采用無縫鋼管,規(guī)格為外徑25.4mm、內徑20.4mm的鋼管,有效長度L為1500mm,管內走冷卻水。水浴套筒的管徑D為300mm,長度L為1500mm,套筒內為80℃的熱水,套筒外側有10mm厚的保溫層。傳熱管兩端接有壓力計和兩只溫度計,以測量兩端的壓降及溫度變化;流體的實際體積流量Q由泵(蠕動泵)調節(jié)測量。1.2實驗設施元器件梯形波帶,結構如圖2所示,它是由3mm厚的不銹鋼片制成的。本實驗設計了3種類型的內插件(表1)進行實驗研究。1.3控制柜控制與負反饋控制系統(tǒng)為了使水浴套筒內水溫保持在80℃,測溫熱電偶測得的數據傳送到控制柜,并由控制柜控制加熱器的開與關,該控制系統(tǒng)(圖3)為負反饋控制系統(tǒng),它可以大大地減少操作人員的勞動量,而且操作簡單易于保證溫度在80℃。1.4性能測試方法在圖1實驗裝置上對光管和不同梯形波帶內插件管進行實驗。步驟如下:a.將換熱器殼體內裝滿水并進行加熱,待水加熱并穩(wěn)定在80℃左右。b.進行空管實驗。開啟泵,將冷水打進光滑換熱管內,熱水對換熱管內的冷水進行加熱,之后流出進入儲液槽。水流量從1450mL/min上升到3480mL/min測8組數據,再從3480mL/min返回到1450mL/min測量。測量數據包括水流量、兩只溫度計讀數、壓力差和水浴套筒內水溫度。實驗時應保證流量穩(wěn)定,將上升段和下降段同流量下的測量資料取平均值。c.將不同的梯形波帶放入空管中重復以上實驗步驟。2實驗結果分析由傅立葉定理Q=KAΔt對實驗測得數據進行計算得如圖4所示曲線。從圖4可以看出,換熱管中置入梯形波帶擾流組件后,隨著流體流量q的增大,換傳熱系數h都逐漸增大,該變化趨勢與光管是一致的。另外,在同一雷諾數下,本實驗插入不同種類梯形波帶擾流組件的換熱管傳熱系數h值明顯要比無梯形波帶插件時高,而交叉梯形波帶的強化換熱最好。從圖中容易看出換熱系數h提高率約為126%～220%。由圖5壓降Δp與流體流量q關系曲線可以看出,壓降Δp隨著流體流量q的增大而增大,并且內置梯形波帶內插件擾流組件的換熱管的壓降Δp大于光滑管的壓降,表明換熱管內置入梯形波帶擾流組件后使得流體流動阻力增大。而交叉梯形波帶擾流組件引起的流體阻力比單一梯形波帶的都要大。換熱管內對流傳熱膜系數通過修正的Wilson圖解法進行數據處理得到,根據傳熱關系型Nu=C·Rem·Prn進行線性回歸擬合,得到回歸方程列于表2。其線性相關系數R2值都大于0.90,說明擬合精度很高。另外,在光滑管實驗中得出關系Nu=0.057967Re0.28707Pr0.3218型與文獻中光管關系型Nu=0.0338Re0.2915Pr0.2793基本趨于一致?？梢?實驗裝置合理,數據可靠。本實驗數據通過文獻中的強化換熱準則(PEC)計算,所有PEC值都大于2。證明梯形波帶內插件確實是一種良好的加強換熱能力的組件,且能夠減緩流動阻力的增加。3不同的速度下實驗波帶的影響雖然本實驗裝置合理,但也存在不可避免的誤差,而出現的誤差主要有:a.在換熱器制作過程中,由于條件有限,管內壁不是嚴格光滑,這樣對實驗流體流動會造成一定的影響。所需梯形波帶均由手工進行制作和校準,加工出來的試件必然會存在一定的誤差;b.實驗中,假定冷流體是穩(wěn)定流動的,但由于冷流體由自來水管直接引入,所以難免會產生波動;c.雖然管壁外敷設了保溫層,但隨著實驗的進行,熱損失仍不可避免,并且實驗中管內流體的復雜的流動狀態(tài)難以劃分確定,很多經驗公式不能準確反映。4不同梯形波帶的傳熱關系4.1對插入梯形波帶后換熱管的換熱量和總傳熱系數進行分析計算可知,傳熱系數h的提高率在126%～220%,管道中插入梯形波帶起到了強化傳熱的作用,而且效果明顯。4.2通過修正的Wilson圖解法分離出了換熱管內對流傳熱膜系數,與Microsoftexcel數據分析功能模塊的回歸選項相結合,得到了各種梯形波帶組合的傳熱關系型。4.3換熱管內插入梯形波帶后的Nu數與光管的Nu0數相比,前者明顯大于后者。4.