換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶的阻力及轉(zhuǎn)動特性研究*

詹三江 林清宇 馮振飛 孫瑞娟

（廣西大學化學與化工學院)

換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶的阻力及轉(zhuǎn)動特性研究*

詹三江**林清宇 馮振飛 孫瑞娟

（廣西大學化學與化工學院)

將18種不同結構參數(shù)的鋁制扭帶分別置入換熱管進行實驗，研究并分析了換熱管內(nèi)置開三角形邊槽扭帶的阻力和轉(zhuǎn)動特性。實驗結果表明，插入開邊槽扭帶后管內(nèi)的流動阻力和轉(zhuǎn)動性能都有較大的提高，扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y、扭帶寬度D和邊槽結構是影響壓降和轉(zhuǎn)速的主要因素。通過多元線性回歸分析，得到了相應的壓降Δp關聯(lián)式和轉(zhuǎn)速n關聯(lián)式。實驗表明，開邊槽結構具有強化扭帶轉(zhuǎn)動特性的應用價值。

換熱管 強化傳熱 開邊槽扭帶 壓降 轉(zhuǎn)動特性 換熱器

0 前言

在制糖、造紙和制鹽等的蒸發(fā)工藝生產(chǎn)中，其加熱過程普遍存在不同程度的結垢現(xiàn)象，而污垢的導熱系數(shù)還不足碳鋼的十分之一，因此污垢的存在必然會嚴重降低換熱的總傳熱系數(shù)，大大削弱傳熱的效果[1]。我國 “十一五”規(guī)劃提出了單位GDP能耗和主要污染物排放物總量比 “十五”期末分別降低20%和10%左右的約束性指標[2]。換熱管內(nèi)置扭帶就是一種行之有效、適用范圍很廣的強化傳熱技術，且扭帶的旋轉(zhuǎn)還起到在線除垢和防垢的作用。扭帶的加工制造方便，成本低，特別適用于舊設備的翻新改造及新型換熱器的設計[3]。

本文在光滑扭帶的基礎上研究并分析了開三角形邊槽的扭帶其阻力和轉(zhuǎn)動特性，這種新結構扭帶其折起的槽片能將流體的動力更有效地轉(zhuǎn)化為使扭帶旋轉(zhuǎn)的力矩，因此在相同的流體流量下，開邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速更快。

1 實驗方法

1.1 實驗設備裝置及流程簡述

實驗系統(tǒng)的主要裝置如圖1所示，其中實驗工段的換熱管長3 000 mm，管程是?42 mm×2.5 mm無縫鋼管，管內(nèi)的介質(zhì)是自來水。水泵將蓄水槽中的冷流體輸進管道，流體在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥和一段上行管道后，進入管內(nèi)安裝有扭帶的下行換熱套管，最后經(jīng)過緩沖管后排出管道。流體流量的大小通過型號為IFM4080K電磁式流量計來測量；試驗段的壓降由U型管水銀壓差計測量；扭帶的上端貼有反光帶，由型號為SZG-441B手持式轉(zhuǎn)速測量儀通過視鏡測出扭帶的轉(zhuǎn)速。

圖1 實驗流程

1.2 扭帶的結構及參數(shù)

實驗采用易加工成型、密度小且具有良好的耐腐蝕性的鋁片作為扭帶的制作材料，扭帶的厚度為0.5 mm，長為3 000 mm。鑒于實驗室的加工條件限制和為了保證扭帶結構的精度，故將每條扭帶分3段制作并用連接環(huán)將扭帶連接起來。開邊槽扭帶的結構如圖2所示，主要參數(shù)有槽距H(扭轉(zhuǎn)180°的軸向距離)、扭帶寬度D、扭轉(zhuǎn)比Y （Y=H/D）和槽口的角度β，槽口的深度為10 mm。為了有效地對比分析，本文對18種不同規(guī)格的扭帶分別進行了實驗。不同規(guī)格扭帶的結構參數(shù)如表1所示，扭帶的編號為D-Y-β （即寬度-扭轉(zhuǎn)比-角度）。

圖2 開三角形邊槽扭帶的結構

表1 不同規(guī)格扭帶的結構參數(shù)

圖3 相同扭帶寬度下不同扭轉(zhuǎn)比扭帶的壓降Δp和流速u的關系

2 實驗結果分析

2.1 阻力特性分析

換熱管內(nèi)置扭帶后，不可避免地使流動阻力增加，對實驗數(shù)據(jù)處理得到壓降Δp和流速u的關系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，實驗工段的壓降Δp均隨著流速u的增大而增大。在相同的D、u情況下，光滑扭帶和開60°邊槽的扭帶的壓降Δp均隨著扭轉(zhuǎn)比Y的減小而逐漸增大，與空管數(shù)據(jù)作比較，光滑扭帶的壓降Δp提高了5.3%～62.2%；開60°邊槽的扭帶的壓降Δp提高了7%～83.1%。在相同的D、Y、u情況下，相對于光滑扭帶，開60°邊槽的扭帶的壓降Δp提高了17.18%～68.88%。綜合分析可知，扭轉(zhuǎn)比越小，流體在流動過程中被旋轉(zhuǎn)、被切割的次數(shù)也就越多，使得流動受阻；而開邊槽扭帶因為折邊的擾流作用，所以壓降Δp也相應比光滑扭帶大。

由圖4可知，在相同的扭轉(zhuǎn)比Y和流速u下，壓降Δp隨著扭帶寬度D的增大而增大，型號22-5.0扭帶比型號20-5.0扭帶的壓降Δp提高了0.3%～11.1%；型號 22-5.0-60°扭帶比型號 20-5.0-60°扭帶的壓降Δp提高了4.5%～12.1%。分析可知，在管壁粗糙度相同的情況下，扭帶寬度D越大，流體的流通面積就越小，因此在實驗范圍內(nèi)壓降就會相應有所增大。

圖4 相同扭轉(zhuǎn)比下不同寬度扭帶的壓降Δp和流速u的關系

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶后的壓降Δp、流速u及扭帶結構參數(shù)的數(shù)學模型：

上式的適用范圍：換熱管內(nèi)徑di=37 mm，扭帶寬度D=20～22 mm，扭轉(zhuǎn)比 Y=5.0～7.0，流體流速 u=0.065～1.304 m/s。

2.2 轉(zhuǎn)動特性分析

對熱態(tài)實驗數(shù)據(jù)處理得到流速u與轉(zhuǎn)速n的關系，如圖5所示。由圖5可知，不同結構扭帶的轉(zhuǎn)速n均隨著流速u的增大而變大，且扭帶的起轉(zhuǎn)流速在0.33～0.46 m/s之間。在相同的寬度D和流速u下，開60°邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速n比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速n提高了16.13%～113.5%。由圖6可知，在相同的扭轉(zhuǎn)比Y和槽口角β下，扭帶的轉(zhuǎn)速n隨著寬度D增大反而降低，型號20-7.0-60°的扭帶其轉(zhuǎn)速n比型號22-7.0-60°的扭帶提高了25%～90.8%。

圖5 相同寬度不同扭轉(zhuǎn)比時轉(zhuǎn)速n和流速u的關系

圖6 相同扭轉(zhuǎn)比不同寬度扭帶的轉(zhuǎn)速n和流速u的關系

綜合上述分析可知： （1）扭帶上折起的槽片能將流體的動力更有效地轉(zhuǎn)化為使扭帶旋轉(zhuǎn)的力矩，因此在相同的流體流量下，開邊槽扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速更快。 （2）由于扭帶在轉(zhuǎn)動的時候會隨機地擺動，扭帶寬度D越大，其與換熱管內(nèi)壁的接觸幾率就越大，導致其在管內(nèi)的摩擦阻力也就越大，從而影響其高速旋轉(zhuǎn)。

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶后的轉(zhuǎn)速n、流速u及扭帶結構參數(shù)的數(shù)學模型：

上式的適用范圍：換熱管內(nèi)徑di=37 mm，扭帶寬度D=20～22 mm，扭轉(zhuǎn)比Y=5.0～7.0，流體流速 u=0.065～1.304 m/s。

3 結論

（1）實驗工段的壓力降Δp隨著流速u增大而增大。扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y和扭帶寬度D是影響壓降Δp的主要因素，D越大，Δp也越大；Y越大，Δp越小。

（2）扭帶的轉(zhuǎn)速n隨著u增大而增大，扭帶的扭轉(zhuǎn)比Y和邊槽結構是影響轉(zhuǎn)速n的主要因素。Y越小，n越大，開邊槽的扭帶的轉(zhuǎn)速比光滑扭帶的轉(zhuǎn)速提高16.13%～113.5%。

（3）在實驗條件下，通過多元線性回歸分析，得到了相應的壓降Δp和轉(zhuǎn)速n的關聯(lián)式，可供工程參考和選用。實驗證明，換熱管內(nèi)置開邊槽扭帶能有效強化扭帶的轉(zhuǎn)動性能。

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[2]張紅，楊峻，莊駿.熱管節(jié)能技術 [M].北京:化學工業(yè)出版社，2009.

[3]崔海亭，彭培英.強化傳熱新技術及其應用 [M].北京:化學工業(yè)出版社，2005.

[4]趙海全，林清宇，林榕端，等.換熱管內(nèi)置塑料扭帶阻力及轉(zhuǎn)動特性的試驗研究 [J].裝備制造技術，2008,11:7-9.

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Rotational and Resistance Characteristics in a Circular Tube Fitted with Triangular Groove Twisted-tape Insert

Zhan Sanjiang Lin Qingyu Feng Zhenfei Sun Ruijuan

In order to study and analyze the rotational and resistance characteristics in a circular tube fitted with triangular groove twisted-tape insert,this paper took 18 twisted-tapes with different structural parameters setting into the heat transfer tubes and proceeded experiments.The results of experiments showed that the rotational capability of twisted-tape and the pressure drop of heat transfer tubes have grate improve after triangular groove twisted-tape insert.The pressure drop equation and rotation equation were obtained by multiple linear regression analysis.The experiments indicate that the rotational capability of triangular groove twisted-tape is good.

Heat transfer tube;Heat transfer enhancement;Triangular groove twisted-tape;Pressure drop;Rotational capability；Heat exchanger

TQ 051.5

*廣西科學基金項目 （桂科青0447005），廣西大學基金項目。

**詹三江，男，1987年生，碩士研究生。南寧市，530004。

2011-09-09）