螺旋肋片自支撑换热器强化换热试验研究
摘要：为了利用螺旋流动强化传热的特性并简化换热器结 构,结合螺旋折流板换热器的结构和流体流动特点,开发了一 种螺旋肋片自支撑换热器。为了掌握螺旋肋片自支撑换热器 的传热和压降综合性能,建立了换热器的试验模型和试验装 置。在相同的试验条件下与折流杆换热器进行对比试验,结 果表明:当雷诺数Re=6000时螺旋肋片换热器的总传热系数 比折流杆换热器提高13.3%,并随着雷诺数增大强化传热效 果更加显著;而同时压力梯度却降低了87.5%,并随雷诺数增 大二者的压力梯度差值变大。在试验雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的综合性能K/ P值是折流杆换热 器的1.4~2倍。可见,螺旋肋片换热器具有较高的传热系数 和较低的压降,因而具有良好的发展及应用前景。
引言
随着常规能源的日益短缺,节能降耗越来越受 到人们的重视。换热器在能源动力和石油化工等行 业是调节工艺介质温度和回收余热从而实现节能降 耗的主要设备,换热器的强化传热是提高换热器效 率的重要措施。美国菲利普公司开发的折流杆换热 器比传统的弓形折流板换热器大大降低了壳程流 阻[1],并在高雷诺数时获得了较好的强化壳程传热 效果。继而国内也开展了高效低流阻纵流式换热器 的相关研究[2],不仅开发出用于正方形布管的折流 栅结构,严良文等人还开发出波形折流杆换热器专 利产品[3],可用于对三角形布管的折流板换热器进 行改造,在一定雷诺数范围内获得了良好效果。螺 旋形折流板是近年来国内外开发的新型壳程强化传 热结构[4~7],它克服了弓形折流板支撑管束时具有 阻力大、死角多、易积垢、易诱发管束振动等缺陷,因 而受到人们越来越多的重视。但螺旋形折流板比现有的多数管束支撑结构更复杂,螺旋折流板和定距 管的加工难度较大,需要专用的加工胎具,螺旋形折 流板换热器的价格也高于弓形折流板换热器,这在 一定程度上限制了它的推广应用。为此,东南大学 梅娜等人提出了一种螺旋折流片管壳式换热 器[8~9],并对其套管换热器进行了数值模拟研究,从 而证实了该换热器中螺旋折流片能诱导流体做螺旋 流动,产生大量的涡流,促进流体微团混合,能有效 地提高对流传热系数。
1螺旋肋片自支撑管壳式换热器
为了利用螺旋流动强化传热的优点,而又简化结 构以便于加工和安装,本文结合螺旋折流板换热器和 螺旋折流片管壳式换热器的结构和流体流动特点,提 出了一种螺旋肋片自支撑管壳式换热器(以下简称 “螺旋肋片换热器”)。该换热器采用了把管束支撑结 构“化整为零”的简化思想,把制造难度较大的整体式 螺旋折流板简化为制造相对容易的围绕单根换热管 的螺旋肋片,从而将流体在壳程总体的螺旋流动变为 围绕每根换热管的局部螺旋流动,相邻换热管之间的 旋转流体又相互干扰,使流体产生新的掺混。螺旋肋 片换热器不同于螺旋折流片换热器之处在于:螺旋肋 片的高度较小,正好等于换热管的间距,全部换热管 都缠绕了螺旋肋片,且同向布置。图1是螺旋肋片换 热管束示意图和单根换热管照片。
在螺旋肋片换热器中,螺旋肋片还起到支撑管 束和保持管间距的作用,不需要折流板。螺旋肋片 的主要参数包括:换热管外径d,螺旋肋片宽度h, 螺旋肋片绕换热管旋转360°的长度,即一个周期长 度H,螺旋肋片的螺旋角α定义为螺旋肋片根部 (即换热管表面)的螺旋线与换热管轴线的夹角,即 α=arctan(πd/H)。
对于大型螺旋肋片换热器,为了充分利用螺旋 肋片的扰流作用,也为了便于螺旋肋片的加工,换热 管全部采用旋向相同的螺旋肋片;安装时换热管之 间完全靠螺旋肋片支撑和定位,不需要安装折流板, 螺旋肋片也不会发生碰撞;组装时可先把支撑圈、管 板、拉杆和定距管组装好,然后再穿换热管,支撑圈 一方面对管束起支撑和定位的作用,另一方面阻止 流体在管束与壳体之间的泄漏。与大型螺旋折流板 换热器相比,螺旋肋片换热器结构简单,加工方便, 适合大规模工业生产。
在螺旋肋片换热器壳程中,由于没有折流板,壳 程流体在总体上沿管轴线呈纵向流动,螺旋肋片既 对其所在区域内的流体产生影响,又会影响到周围 流体,因此,壳程中的流体流动和传热状况十分复 杂。在每根管子周围,流体受螺旋肋片的影响绕管 轴线均呈螺旋流动;在相邻3~4根管子围成的流道 中,流体一方面沿轴向流动,同时受周围的4根螺旋 肋片的影响,使流体产生一定的螺旋流动。总的来 说,螺旋肋片起到了两种较好的强化传热作用:(1) 流体的有效流程加长,在相同的质量流量下,流速提 高;(2)螺旋流动导致涡旋和二次流。流体的流速提 高后,壁面附近的剪应力增大,边界层减薄,传热得 以强化。做螺旋流动的流体受离心作用的影响,流 体有径向速度分量,流体径向流动的结果是造成涡 旋和二次流,促进了主流流体和壁面边界层流体充 分混合,减薄了边界层,提高了传热系数,但流程的 增长和湍流度的增加必然会带来压降的增大。
2换热器试验装置与试验方法
为了测试螺旋肋片换热器传热和压降综合性 能,建立了螺旋肋片换热器试验模型和试验装置,如 图2所示。为了与工程应用较好的折流杆换热器对 比,制造了一台折流杆换热器试验模型,其主要结构 参数如壳体内径、换热管规格、换热管长度和数量、 管中心距、排列方式等与螺旋肋片换热器完全相同。 两种换热器在相同的试验条件和同一传热试验 平台上进行试验,试验平台由水蒸气和空气供料系 统、数据采集与处理系统及换热器试验模型三部分 组成,试验流程如图3所示。供料系统供应壳程和 管程物料,包括燃油锅炉连续输送蒸汽至管程,鼓风 机连续输送空气至壳程;数据采集系统由温度、压 力、流量传感器、显示仪表、数据采集器、计算机等组 成。
3试验结果及其分析
图4为螺旋肋片换热器和折流杆换热器的总传 热系数K随雷诺数Re的变化情况。在换热器试验过程中,管内是水蒸气冷凝对流传热,传热系数较大 且基本保持不变;管外是空气对流传热,传热系数较 小并随着空气流量变化,所以管内的热阻远远小于 管外,则管外的对流传热系数近似等于总传热系数。 由图可见,两种换热器的总传热系数K都随雷诺数 Re的增大而提高,且螺旋肋片换热器的总传热系数 K提高得更快。在雷诺数小于3000时,螺旋肋片 换热器的总传热系数K略小于折流杆换热器,说明 在较低的雷诺数下螺旋肋片还不能充分发挥强化传 热作用,二者的强化传热作用基本相当;当雷诺数大 于3000时,螺旋肋片换热器的总传热系数K则明 显大于折流杆换热器,并且二者的差值呈增大趋势, 这说明随着雷诺数增大螺旋肋片的强化传热效果越 来越显著,当雷诺数Re=6000时螺旋肋片换热器 的总传热系数达到85W/(m2·K),比折流杆换热器 高出13.3%。可见,在试验雷诺数Re=3000~ 6500范围内,螺旋肋片强化壳程传热效果高于折流 杆。
图5为螺旋肋片换热器和折流杆换热器的压力 梯度 P随雷诺数Re的变化。由图可见,两种换热 器的压力梯度 P都随雷诺数Re的增大而提高,这 是由于流体的粘性和雷诺数增大(即湍流度增大)的 缘故。在相同的雷诺数范围内折流杆换热器的压力 梯度 P变化速率更大,证明折流杆对流体的阻挡 作用更大,而螺旋肋片对流体几乎无阻挡作用,其阻 力增大的原因还是由于流体的粘性和湍流度增大, 只不过加装螺旋肋片后比无任何支撑的壳程流体的 湍流度增大的速率更快。在雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的压力梯度最大为80 Pa/m,比折流杆换热器的压力梯度降低了87.5%, 随雷诺数增大二者的压力梯度差值变得更大。可 见,在与压降相关的动力消耗方面,螺旋肋片换热器明显低于折流杆换热器。
图6为相同试验条件下两种换热器的综合性能 K/▽P比较。可见,在试验雷诺数2000~6500的 范围内,螺旋肋片换热器的综合性能K/▽P明显优 于折流杆换热器的综合性能,螺旋肋片换热器的K/ P值是折流杆换热器的1.4~2倍。
4结论
(1)螺旋肋片换热器把制造难度较大的螺旋折 流板简化为制造相对容易的围绕单根换热管的螺旋 肋片,将流体在壳程总体的螺旋流动变为围绕单根换热管的局部螺旋流动,并产生大量的涡流和二次 流,提高了主流流体和边界层流体的混合程度,可使 边界层变薄,从而有效地提高传热系数。相邻换热 管间的流体螺旋流动相互作用,可进一步提高流体 的湍动程度和强化传热。
(2)螺旋肋片换热器结构简单,制造和安装方 便,节约材料,相对于折流杆换热器有较高的传热系 数和较低的压降,试验表明其综合性能K/ P明显 提高,在试验雷诺数2000~6500的范围内,螺旋肋 片换热器的综合性能K/▽P值是折流杆换热器的 1.4~2倍。因此,螺旋肋片换热器具有很好的发展 和应用前景。
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