基于强化传热技术不同类型换热管传热特性的比较

2014-05-02杨宏岭徐冠群

山东工业技术 2014年13期

关键词：传热系数冷却水换热器

杨宏岭，徐冠群

（1京鼎工程建设有限公司，北京100101；2国家粮食储备局武汉科学研究院设计院，湖北武汉 430079）

基于强化传热技术不同类型换热管传热特性的比较

杨宏岭1，徐冠群2

（1京鼎工程建设有限公司，北京100101；2国家粮食储备局武汉科学研究院设计院，湖北武汉 430079）

本文从换热器的简介入手，随后对强化传热技术进行了分析，并在此基础之上，通过实验的方法，对三种类型的管式换热器的传热特性进行了研究。结果表明，经过强化传热的螺旋管换热器具有良好的传热特性。

螺旋管；强化传热技术；传热特性

1 换热器简介

换热器是一种应用领域较为广泛的热能转化设备，其中管式换热器以其自身结构简单、生产工艺简单、处理能力强、适用性好等优点，被广泛应用在机械、冶金、制冷等诸多领域当中。虽然其它类型的换热器在近年来不断涌现，但仍未改变管式换热器在市场中的主导地位，其市场份额仍在70％以上。鉴于此，有必要对管式换热器的传热性能进行提高，这不但能够为企业节约一定的资金，而且还能降低能耗。

2 强化传热技术分析

人们对强化传热技术的关注与重视开始于19世纪末期，然而限于当时的技术条件非常有限，加之很多实验都无法应用到实际当中，所以曾一度使强化换热技术的研究速度减缓，可将这个时期的强化传热技术归为第一代技术；到了上个世纪70年代中后期，全球性的石油危机逐步影响到了各个国家，在这一背景下，节能降耗成为各个国家研究的重点课题，这也在一定程度上推动了强化传热技术的发展，该阶段的强化传热技术获得了一定的进步和完善，也由第一代技术向第二代技术过渡，这一代技术的实质就是在消耗能量保持不变的前提下，尽量多地为某些过程传递热量；强化传热技术由第二代向第三代的过渡是在上个世纪90年初期开始的，并在当时取得了非常显著的成果，直至近些年，第四代强化传热技术被提出。根据相关专家的研究结果，大体上可将强化技术分为两大类，一类是被动型，另一类是主动型，前者的特点是无需借助外力，而后者则需要在换热过程中额外增加能量。由于强化传热技术的不同，从而使得与之相对应的传热机理也均不相同，但无论何种强化传热技术，其最终目的都是为了提高换热效率。从目前的具体应用情况看，最为常用的方法就是提高换热器的总传热系数，如对换热器管壁进行改进，使壁面形成螺旋状，借此来增加有效传热面积，这样便可在换热量相等的情况下，降低能耗。

现阶段，冷凝强化换热管普遍应用于工业领域。本论文主要讨论比较管外冷凝工况相同的条件下螺旋管（这种管型是在螺旋片强化套管的基础上经过改进后获得的，其传热效果较好）、脊型肋管、圆形肋管三种冷凝强化管的强化效果。三种管型如图2所示。

螺旋管主要是由光管为主要材料加工而成，断面的形状近似于椭圆，以一定的角度旋转。相比较于光管，螺旋管以其扰流的形状，可以对于通过的介质造成干扰，不仅可以使得层流底层的厚度降低，而且还能够使平均换热系数提高，以实现强化传热的目的。

近些年来，关于微肋管的传热功效，已经有过很多研究。其强化效果主要体现为管内凝结和沸腾状况，相比较于传热，且阻力增加的幅度要小很多。微肋管具有强化传热作用，主要在于其特殊的几何结构对于管周围的二次环流具有诱发的作用。

3 基于强化传热技术不同类型换热管传热特性的比较

3.1 实验仪器

在本次实验中，使用的主要仪器如下：精密压力表，型号为YB150、该仪器的测量精度等级0.25、换热器（可拆卸更换换热管）、DZF电热蒸汽发生器、温度计、贮水箱、水泵、电磁流计量、U型水银压差计、同等长度及等内径的螺旋管、脊型肋管、圆形肋管等等。

3.2 实验流程

为了保证本次实验结果的准确性，在实验正式开始之前，需要对换热管的表面进行清洁处理，保证换热管内外无污垢。同时还需要对仪器仪表的性能和状态进行检查，看其是否正常，然后对接线和电源进行检查，确认无误后，开启电源，设置好相关参数后，便可开始实验。本次实验换热器壳程的蒸汽与管程的冷却水并流换热。流程如图1所示。

图1 实验流程示意图

1）将螺旋管装入换热器内，拧紧，检查无泄漏。向DZF电热蒸汽发生器和贮水箱内注入一定量的冷却水。检查无误后，开启水泵及水泵出口阀门，促使管程冷却水循环。之后，开启蒸汽发生器的电源，对DZF电热蒸汽发生器内冷却水水进行加热产生蒸汽，打开蒸汽出口阀门，让蒸汽流入，并使蒸汽在相应设备中流通30min左右，待整个蒸汽通道内排除不凝气体之后方可进入实验阶段。

2）调节水泵出口阀门将冷却水速度设置为固定值，同时保持冷却水入口温度始终保持在一定的温度，并且保证蒸汽入口的压力与温度处于稳定状态。待管壳程流体达到稳定状态之后，分别记录下此时冷却水出口与蒸汽出口温度。当冷却水进入到换热系统中之后，假设流入入口之前的温度为t1，流出后的温度为t2，那么冷却水所带走的热量即为：Q=WCp(t2-t1)。蒸汽的入口温度为T1，出口温度为T2，蒸汽所消耗的热量为Q=WCp(T2-T1)。（其中，Q为热量；Cp为水的比热容，W为冷却水的流量）。

3）调节水泵出口阀门，改变冷却水的流量，并记录冷却水流量，依次记录不同流量下冷却水出口与蒸汽出口温度，依据热量方程计算不同流量下冷却水带走的热量。

4）整体实验完成后，将各个阀门、蒸汽发生器、控制柜电源关闭。

5）将换热器内螺旋管拆卸下来，分别换上脊型肋管、圆形肋管，并在工况相同的条件下按照上述步骤进依次进行流动、传热测试，记录相应的结果即可。

3.3 实验结果分析

依据相关的研究结论传热系数在流体处于湍流状态（雷诺数Re＞4000时，一般为湍流）下的传热系数最佳。因此本实验主要研究针对流体处于湍流状态下传热系数的比较，实验数据都是在流体处于湍流状态下获得。在计算总传热系数时，将管外视为蒸汽冷凝，将管内视为冷却水被蒸汽发生器加热，忽略不计管壁上所产生的热阻。基于本次实验数据结果，对实验数据进行合理化处理分析，对传热系数K进行校正处理，根据雷诺数方程Re=dup/µ，（其中，d为管内径，u为流体的流速，p为流体的密度，µ为流体的粘度）、傅里叶方程Q=KSΔT（其中，Q为热量，K为传热系数，ΔT平均温差，S为换热面积）及Gnielinski关联式，对获取螺旋管的实验数据进行处理，并且在工况不变的前提下，与圆形肋管和脊形肋管进行对比得出螺旋管、圆形肋管、脊形肋管流体流动状态与对流传热系数的关系，如图3所示。

图3 三种管型传热特性比较

经过对实验数据的校正处理之后，可以看出：当Re在一定的范围内，冷却水对螺旋管的对流传热系数达到了一个较高标准，其传热特性比较理想。螺旋管的内强化传热效果在低Re的情况下最佳，当Re增大后，管内的传热优势会有所减小，但在实验Re的范围内，螺旋管的总传热系数最大，其壳侧的传热特性也非常良好，并且要优于其它两种管型。此外，螺旋管的加工效率较高，成本也比另外两种管型更低，所以，它更适合在实际中应用。