換熱管內(nèi)置螺旋線圈的阻力及傳熱特性實驗研究*

劉曉林，林清宇，馮振飛，歐向波，劉宜仔

(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室，廣西 南寧 530004)

20世紀(jì)70年代初發(fā)生的世界性能源危機，有利的促進了傳熱強化技術(shù)的迅猛發(fā)展，要節(jié)能降耗，提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，必須研究各種傳熱過程的強化問題。當(dāng)今各種強化傳熱技術(shù)主要分為主動強化傳熱技術(shù)和被動強化傳熱技術(shù)[1]。前者是指需要加入額外動力以實現(xiàn)強化傳熱的技術(shù)，主要包括機械攪拌、表面震動、靜電場和噴射；后者是指除流體輸送功外不需要耗用額外動力的技術(shù)，主要包括處理表面、擾流裝置、渦旋流裝置和添加劑。其中渦旋流裝置廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中，主要形式有扭帶[2]、渦旋發(fā)生器、螺旋線圈[3-5]等。螺旋線圈因制造簡單、成本低廉、金屬耗用量小等優(yōu)點特別適用于舊換熱器的改造，其強化傳熱機理是當(dāng)螺旋線圈絲徑較大時，靠近壁面的流體產(chǎn)生旋渦流和二次流，從而增強流體的徑向混合，促使流體速度分布和溫度分布的均勻；隨著絲徑的減小旋渦流和二次流的作用逐漸減弱，當(dāng)絲徑減小到一定程度時，螺旋線圈的作用僅相當(dāng)于粗糙表面，通過加強壁流區(qū)的湍流強度、阻隔邊界層的連續(xù)發(fā)展來減小層流底層的厚度以實現(xiàn)強化傳熱的目的。作者利用螺旋線圈換熱管管內(nèi)介質(zhì)Re為5 000～60 000，對以水為工質(zhì)的單相流體進行阻力和強化傳熱實驗研究，并通過綜合性能分析，指出了螺旋線圈在低粘度流體強化傳熱中適用的Re操作范圍。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用飽和水蒸汽作為熱流體，自來水作為冷流體，以長3 000 mm，內(nèi)管徑D42 mm×2.5 mm的套管式換熱器為實驗系統(tǒng)進行研究，主要裝置見圖1。

圖1 實驗流程簡圖

實驗過程中水走管程，由水泵(上海雙泉泵業(yè)有限公司)將水從蓄水槽中抽出，經(jīng)型號為IFM4080K電磁式流量計(上海光華愛而美特儀器有限公司)流入裝有螺旋線圈的換熱管與殼程的飽和水蒸汽進行熱量交換，最后經(jīng)過緩沖管排出管道。管程流體的進出口溫度由設(shè)置在換熱管兩端的溫度計測量，壓力差由U型管水銀壓差計測量；殼程飽和水蒸汽由型號為DZF電蒸汽發(fā)生器(廣東恩平機電廠)提供，壓力由精密壓力表(杭州富陽東方儀表廠)測量。為減少實驗過程中熱量損失，換熱管外表面包有50 mm厚的玻璃纖維保溫層。

1.2 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

實驗所需的螺旋線圈采用型號為14、16、22(鐵絲絲徑d分別為2.032、1.626、0.711 mm)的鐵絲作為加工材料，繞有加工有定距螺旋槽的鐵棒制作而成。螺旋線圈的結(jié)構(gòu)見圖2，主要參數(shù)有鐵絲絲徑d和線圈螺距P，螺旋線圈長度為3 000 mm。為了有效對比絲徑d和螺距P對壓降和傳熱的影響，實驗采用不同絲徑和不同螺距9種型號的螺旋線圈進行實驗研究，線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 螺旋線圈的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 流體阻力特性分析

對實驗數(shù)據(jù)處理得到壓降ΔP和流速u的關(guān)系曲線，見圖3。

u/(m·s-1)圖3 不同型號線圈的ΔP-u關(guān)系圖

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：插入螺旋線圈后換熱管壓降同空管壓降變化趨勢一致，都成拋物線走勢，空管和螺旋線圈換熱管壓力降ΔP的回歸方程見表2；插入螺旋線圈后管內(nèi)壓降明顯高于空管壓降，型號為14-15的線圈壓降最大，是空管壓降的4.23～8.11倍，型號為22-48的線圈壓降最小，是空管壓降的1.44～2.48倍；流速u和絲徑d相同時，內(nèi)插螺旋線圈管的壓降隨螺距P的增大而減?。涣魉賣和螺距P相同時，內(nèi)插螺旋線圈管的壓降隨絲徑d的增大而增大。

表2 流體壓力降的回歸方程

由文獻[6]知，安裝內(nèi)插件后換熱管的壓降ΔP由2部分組成，一部分是流體與管內(nèi)壁摩擦及流體內(nèi)部摩擦引起的壓降，即空管壓力降ΔP0；另一部分是管內(nèi)安裝內(nèi)插件后引起的壓力降增加ΔP1。通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置螺旋線圈后的壓降增量ΔP1、流速u及螺旋線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)d和P的數(shù)學(xué)模型：

ΔP1=C(d/di)x(P/di)yuz

式中C、x、y、z—待定常數(shù)，di—內(nèi)管內(nèi)徑。

對上式取對數(shù)，進行多元線性回歸分析，經(jīng)過計算可以得到壓降增量的ΔP1的關(guān)聯(lián)式：

ΔP1=186 304.9(d/di)1.316 9(p/di)-0.661 2u1.613 9

方程的判定系數(shù)R2=0.974 0。上式的適用范圍：di=37 mm，d=0.711～2.032 mm，P=15～48 mm，u=0.06～1.30 m/s。從上式可知：當(dāng)絲徑d為變量其它因素不變時，絲徑d增加1倍，壓降增量增加2.49倍；當(dāng)螺距P為變量其它因素不變時，螺距P減小1倍，壓降增量增加1.58倍。因此，線圈絲徑d對壓降增量的影響強度大于螺距P對壓降增量的影響強度。

對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到摩擦阻力系數(shù)f和雷諾數(shù)Re的關(guān)系圖，見圖4。

從圖4可以看出：在相同的Re條件下，隨著絲徑d的減小和螺距P的增大，各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的f不斷降低；絲徑d和螺距P為定值時，各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的f隨Re增大而迅速降低，當(dāng)Re較大時f趨于定值。內(nèi)插螺旋線圈換熱管的摩擦阻力系數(shù)f趨于定值的趨勢與空管相比更為顯著，其中最為明顯的是型號為14-15的螺旋線圈，當(dāng)雷諾數(shù)Re達到20 000時f基本不再變化。這種現(xiàn)象是由于管內(nèi)插入螺旋線圈后管壁的當(dāng)量粗糙度增大，流體在較低的Re下就進入完全紊流粗糙管區(qū)[7]，此時f僅取決于插入線圈的當(dāng)量粗糙度，而與Re的大小無關(guān)，線圈絲徑d的增加和螺距P的減小都能增加管壁的當(dāng)量粗糙度，因此，大線徑小螺距的14-15號線圈的摩擦阻力系數(shù)f更容易趨于定值。

Re圖4 不同型號線圈的f-Re關(guān)系圖

2.2 傳熱特性分析

對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到努賽爾數(shù)Nu與雷諾數(shù)Re的關(guān)系圖，見圖5。

Re圖5 不同型號線圈的Nu-Re關(guān)系圖

由圖5可知，換熱管的Nu隨著Re的增大而增強，且各內(nèi)插螺旋線圈換熱管的Nu與空管Nu相比均有大幅度提高；在Re相同時，內(nèi)插螺旋線圈換熱管的Nu隨著絲徑d的增大和螺距P的減小而增大；在Re較低時，各型號內(nèi)置螺旋線圈換熱管提高Nu的差別不大，但隨著Re的增大，各型號內(nèi)插螺旋線圈換熱管在強化傳熱的能力上產(chǎn)生分化，大線徑小螺距線圈提高強化傳熱的能力明顯高于小線徑大螺距線圈強化傳熱的能力；內(nèi)插螺旋線圈換熱管與空管相比，Nu提高了8.1%～141.5%，其中絲徑d=2.032 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了25.6%～141.5%，絲徑d=1.626 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了18.1%～131.1%，絲徑d=0.711 mm的螺旋線圈換熱管Nu提高了8.1%～113.0%，Nu提高最大的 14-15號螺旋線圈換熱管與Nu提高最小的22-48號螺旋線圈換熱管相比Nu平均提高了35.2%。

通過量綱因次分析，建立換熱管內(nèi)置螺旋線圈的Nu、Re、Pr及線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

Nu=C(d/di)m(P/di)nRe′Pr0.4

其中C、m、n、t-待定參數(shù)。

對上式取對數(shù)，并通過實驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，得到Nu數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

Nu=4.754 9(d/di)0.180 6(p/di)-0.124 4Re0.397 8Pr0.4

上式的判定系數(shù)R2=0.976 7。適用范圍：管程內(nèi)經(jīng)di=37 mm，d=0.711～2.032 mm，P=15～48 mm，Re=5 000～60 000。由上式可知，絲徑d對Nu的影響相比于螺距P的影響更大。

2.3 性能評價

換熱管內(nèi)置螺旋線圈實現(xiàn)強化傳熱的同時，不可避免的造成壓降增大。因此在評價螺旋線圈換熱管的性能時應(yīng)該同時考慮傳熱系數(shù)的提高和摩擦阻力系數(shù)的增大2種因素。采用文獻[8]的強化傳熱評價準(zhǔn)則，即φ=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3，式中，Nu0、f0代表光滑管的物理性能參數(shù)，φ為綜合性能指標(biāo)，通常φ>1時表明強化傳熱管的綜合性能優(yōu)越，具有工程應(yīng)用價值。通過該式計算，得到了9種內(nèi)置螺旋線圈強化傳熱管的綜合性能指標(biāo)φ和Re的關(guān)系曲線，見圖6。

Re圖6 不同型號線圈的φ-Re關(guān)系圖

從圖6中可以看出隨Re的增大，螺旋線圈換熱管的φ呈不斷下降的趨勢；當(dāng)Re<30 000時，各內(nèi)插線圈管的綜合性能指標(biāo)φ>1，當(dāng)Re>30 000時，大部分內(nèi)置線圈換熱管的綜合性能指標(biāo)φ<1；在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，小絲徑大螺距線圈的φ值明顯高于大絲徑小螺距線圈的φ值，綜合性能指標(biāo)最好的是型號為22-30的線圈，其φ值為1.02～1.59，平均值為1.24，綜合評價指標(biāo)最差的型號為14-15的線圈，其φ值為0.77～1.40，這是由于大絲徑小螺距線圈的強化傳熱提高程度已經(jīng)不能彌補阻力損失的增加。實驗表明，螺旋線圈更適合應(yīng)用于Re<30 000的情形，對高Re的強化傳熱，也可以選用小絲徑大螺距的線圈。

3 結(jié) 論

通過實驗，研究了換熱管內(nèi)置螺旋線圈的阻力及傳熱特性，通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到了如下主要結(jié)論。

(1) 換熱管插入螺旋線圈后，增加了管壁的當(dāng)量粗糙度，流體在較低的Re下進入完全紊流粗糙管區(qū)，摩擦阻力系數(shù)大幅提高。

(2) 換熱管插入螺旋線圈后，可以顯著的強化傳熱，在作者所涉及的Re數(shù)范圍內(nèi)，與空管相比，換熱性能提高了8.1%～141.5%。

(3) 將包括螺旋線圈的絲徑d和螺距P在內(nèi)的因素進行多元線性回歸分析，得到了相應(yīng)的努賽爾數(shù)Nu和壓降增量ΔP1關(guān)系式，同時指出絲徑d是影響Nu和ΔP1的最主要因素。

(4) 通過對螺旋線圈的綜合性能分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Re<30 000，各型號螺旋線圈都具有較高的應(yīng)用價值，當(dāng)Re>30 000時，應(yīng)該選用小絲徑、大螺距的螺旋線圈。

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