同比例大小徑轉(zhuǎn)子組合的強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)

何立臣，關(guān)昌峰，何長(zhǎng)江，張崇文，賀建蕓，閻華

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

工業(yè)換熱器由于換熱效率低、換熱表面容易結(jié)垢等問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重制約了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而化工、煉油等生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱大部分是高黏度物料的傳熱。高黏度物料黏度高，操作雷諾數(shù)低、流動(dòng)多處于層流或過(guò)渡狀態(tài)，這就導(dǎo)致管內(nèi)傳熱系數(shù)低，傳熱不均勻，污垢沉積多，泵功耗大[1]。管殼式換熱器加裝內(nèi)插件是改善管內(nèi)換熱性能的有效方法，朱冬生等[2]介紹了交叉梯形波帶插入物強(qiáng)化管內(nèi)高黏度流體傳熱的原理和工業(yè)應(yīng)用，說(shuō)明內(nèi)插件技術(shù)既可以應(yīng)用于現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)改造，還可以應(yīng)用于新設(shè)備的設(shè)計(jì)。吳雙應(yīng)等[3]以30#透平油為工質(zhì)，對(duì)在光管內(nèi)插入3種不同扭率扭帶的受迫流動(dòng)的冷熱態(tài)流阻及換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明插有不同扭率的全長(zhǎng)連續(xù)扭帶管的傳熱系數(shù)為光管的1.7～2.6倍。向東等[4]實(shí)驗(yàn)研究了水平圓管內(nèi)插入旗形件時(shí)其后掠角對(duì)30#透平油的對(duì)流傳熱及流阻特性的影響，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)傳熱系數(shù)首先隨后掠角的增大而上升，然后又下降，阻力則隨后掠角的增加而增加。

“潔能芯”組合轉(zhuǎn)子[5]是一種新型的換熱管內(nèi)插件，前人對(duì)其進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)研究。李鋒祥[6]利用PIV得到了組合轉(zhuǎn)子在換熱管內(nèi)的速度場(chǎng)、湍流強(qiáng)度及渦量等。彭威等[7]對(duì)螺旋葉片和開(kāi)槽螺旋葉片兩種結(jié)構(gòu)組合轉(zhuǎn)子的綜合傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了開(kāi)槽螺旋葉片轉(zhuǎn)子具有更好的綜合傳熱性能。張震等[8]以水為工作流體，在雷諾數(shù)20000～75000范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)子外徑對(duì)強(qiáng)化傳熱及阻力特性的影響，結(jié)果表明傳熱特性及阻力都隨著轉(zhuǎn)子外徑的增大而增大。周寅鵬等[9]以60%甘油水溶液為工作介質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，同樣得出了內(nèi)置轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管的努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)及PEC值隨轉(zhuǎn)子外徑的增大而增加的結(jié)論。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上以甘油水溶液為管程流體來(lái)模擬工業(yè)上的高黏性物料，將大外徑轉(zhuǎn)子與小外徑轉(zhuǎn)子相間排列，旨在研究將不同外徑轉(zhuǎn)子相間排列后的換熱及阻力特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

該裝置由冷水回路、熱水回路、實(shí)驗(yàn)段以及測(cè)量控制回路四部分組成。實(shí)驗(yàn)段中的套管式換熱器管程尺寸為φ25mm×0.5mm，殼程尺寸為φ57mm× 3.5mm，換熱管長(zhǎng)度為2000mm，材質(zhì)為304不銹鋼。甘油水溶液作為冷流體走管程，熱水走殼程，“潔能芯”組合轉(zhuǎn)子安裝在管程實(shí)驗(yàn)段，實(shí)現(xiàn)逆流對(duì)流換熱。實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)管線、管段均采用巖棉材料保溫，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)中熱水流量控制在(3.5±0.02)m3/h，甘油水溶液流量控制在 2.4～4.0m3/h范圍內(nèi)，變化幅度不超過(guò)±0.02m3/h，流量分別通過(guò)安裝在管程及殼程入口處的電磁流量計(jì)測(cè)得；熱水溫度通過(guò)電加熱器控制在(56±0.2)℃，冷水溫度通過(guò)制冷機(jī)控制在(30±0.2)℃，在管程及殼程的進(jìn)出口處各安裝一個(gè)熱電偶以便測(cè)出進(jìn)出口溫度。實(shí)驗(yàn)段的管程兩端分別安裝壓差計(jì)的引出管，以便測(cè)得管程進(jìn)出口壓差。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

“潔能芯”組合轉(zhuǎn)子裝置工作原理如圖2所示。該裝置由轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、掛件及限位件構(gòu)成，轉(zhuǎn)子串在轉(zhuǎn)軸上，可繞轉(zhuǎn)軸獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子間由限位件限定軸向位置；掛件固定在換熱管的兩端并串在轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子串的固定。轉(zhuǎn)子在流體的沖擊下高速旋轉(zhuǎn)，使得流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橐月菪鲃?dòng)為主的復(fù)雜流動(dòng)，這種復(fù)雜流動(dòng)強(qiáng)化了中心流體與管壁流體的置換，破壞了邊界層，增強(qiáng)了流體的湍動(dòng)程度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱效果。

本實(shí)驗(yàn)采用外徑22mm和外徑19mm兩類(lèi)轉(zhuǎn)子，將外徑22mm和外徑19mm轉(zhuǎn)子以1∶1、2∶2、3∶3三種比例方式進(jìn)行相間排列，并與外徑全22mm和外徑全19mm轉(zhuǎn)子對(duì)比，共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)；轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度為27.5mm，每串轉(zhuǎn)子共有5段（圖中只給出了其中1段），每段12個(gè)轉(zhuǎn)子，一共60個(gè)轉(zhuǎn)子，實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)處理

圖2 “潔能芯”組合轉(zhuǎn)子裝置工作原理圖

圖3 實(shí)驗(yàn)所用方案

為計(jì)算求得換熱管內(nèi)流體的努塞爾數(shù)Nu、阻力 系數(shù)f，必須通過(guò)熱電偶測(cè)出管程進(jìn)出口溫度t1、t2，殼程進(jìn)出口溫度T1、T2；通過(guò)壓差計(jì)測(cè)出管程進(jìn)出口壓差Δp；通過(guò)電磁流量計(jì)測(cè)出管程流量Mc、殼程流量Mh。當(dāng)換熱管內(nèi)外流體流動(dòng)穩(wěn)定后，殼程流體放熱量Qh和管程流體吸熱量Qc分別為式（1）和 式（2）。

式中，cp,i、cp,0分別為甘油水溶液和熱水的定壓比熱容。

平均換熱量aveQ為式（3）。

ΔTm為冷熱流體進(jìn)出口溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，計(jì)算式為式（4）。

總傳熱系數(shù)K為式（5）。

式中，Ao為以管外表面計(jì)的換熱面積。

運(yùn)用威爾遜圖解法[10]從總傳熱系數(shù)K分離得到管程對(duì)流傳熱系數(shù)hi，然后由式（6）算出努塞爾數(shù)Nu。

式中，λi為導(dǎo)熱系數(shù)；di為換熱管內(nèi)徑。

換熱管管程阻力系數(shù)f可以通過(guò)式（7）計(jì)算 得到。

式中，de為管程當(dāng)量直徑；u為管程流體流速；ρ為管程流體密度；l為換熱管長(zhǎng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中推導(dǎo)所得的間接量φ的不確定度由式（8）確定。

式中，xi為實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量量，溫度T的不確定度為0.67%，流量M的不確定度為0.83%，壓差Δp的不確定度為0.5%，因此換熱量的不確定度為1.067%，阻力系數(shù)的不確定度為1.734%。

3.2 光管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 傳熱性能驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)得到的努塞爾數(shù)Nu與在相同雷諾數(shù)條件下通過(guò)Gnielinski經(jīng)驗(yàn)公式[11]計(jì)算出的努塞爾數(shù)Nu進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

其中Gnielinski經(jīng)驗(yàn)公式為式（9）。

通過(guò)對(duì)比可知，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，努塞爾數(shù)Nu的實(shí)驗(yàn)值與通過(guò)Gnielinski經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差在-7.81%～6.49%之間，在允許范圍內(nèi)。

3 .2 . 2 阻力性 能 驗(yàn) 證

圖4 光管Nu測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比

圖5 光管f測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)得到的阻力系數(shù)f與在相同雷諾數(shù)條件 下通過(guò)Petukhov經(jīng)驗(yàn)公式[11]計(jì)算出的阻力系數(shù)f進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

其中Petukhov經(jīng)驗(yàn)公式為式（10）。

通過(guò)對(duì)比可以得出，在實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，阻力系數(shù)f的實(shí)驗(yàn)值與通過(guò)Petukhov經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的偏差在-7.11%～0.17%之間。

3.3 傳熱性能

圖6為5種不同的轉(zhuǎn)子組合方案下?lián)Q熱管努塞爾數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系曲線。

由圖6可知，1∶1相間排列方案的Nu高于2∶2相間排列方案，又高于3∶3相間排列方案，其N(xiāo)u比外徑全19mm方案高出19.17%～34%，這說(shuō)明通過(guò)在外徑19mm轉(zhuǎn)子間排列外徑22mm轉(zhuǎn)子能夠達(dá)到非?？捎^的強(qiáng)化換熱效果。其原因是當(dāng)兩種外徑的轉(zhuǎn)子相間排列時(shí)，換熱管內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了周期性的變化，大徑轉(zhuǎn)子與小徑轉(zhuǎn)子的間隙處，由于流通面積的突然改變，流動(dòng)伴有更多的二次流及混流，流動(dòng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，而且相間排列越頻繁，流動(dòng)狀態(tài)周期性變化就越頻繁，其換熱效果就越好。

3.4 阻力性能

換熱管阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系曲線 如圖7所示。

圖6 5種實(shí)驗(yàn)方案Nu對(duì)比

圖7 5種實(shí)驗(yàn)方案f對(duì)比

由圖7可以看出，外徑全22mm方案的阻力系數(shù)大于外徑全19mm，而且3種相間排列方案的阻力系數(shù)與外徑全22mm方案相差不大。這是因?yàn)橥鈴饺?2mm方案的流通面積小，其造成的阻力也就更大；而3種相間排列方案由于周期性變化的流動(dòng)結(jié)構(gòu)使得流體的流動(dòng)路徑變長(zhǎng)，因而其阻力就相應(yīng)變大。

3.5 綜合評(píng)價(jià)因子PEC

采用工程上普遍使用的綜合評(píng)價(jià)因子PEC來(lái)評(píng)價(jià)組合轉(zhuǎn)子的綜合強(qiáng)化傳熱性能，其計(jì)算式為（11），式中Nu和f為裝有組合轉(zhuǎn)子換熱管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)，Nu0和f0為光管的努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)[12]。

5種實(shí)驗(yàn)方案的PEC值如圖8所示。由圖8可知，1∶1相間排列方案的PEC高于2∶2相間排列方案，又高于3∶3相間排列方案，而且遠(yuǎn)高于外徑全19mm方案，與外徑全22mm方案相當(dāng)，其值達(dá)到了1.78～2.37。這說(shuō)明在外徑19mm轉(zhuǎn)子間排列外徑22mm轉(zhuǎn)子具有比較高的綜合強(qiáng)化換熱效果， 這對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用為大批量應(yīng)用，通過(guò)這種相間排列可以節(jié)省大部分材料，從而能夠節(jié)約成本。由圖8還可以看出，在雷諾數(shù)處于1900～2000范圍內(nèi)PEC值達(dá)到最大，將組合轉(zhuǎn)子應(yīng)用在該流動(dòng)區(qū)域，其綜合強(qiáng)化換熱效果最佳。

圖8 5種實(shí)驗(yàn)方案PEC對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）將外徑22mm轉(zhuǎn)子和外徑19mm轉(zhuǎn)子以1∶1進(jìn)行相間排列的方案的Nu高于將兩種轉(zhuǎn)子以2∶2進(jìn)行相間排列的方案，又高于將兩者以3∶3進(jìn)行相間排列的方案，其N(xiāo)u比外徑全19mm方案高出19.17%～34%，說(shuō)明通過(guò)在外徑19mm轉(zhuǎn)子間排列外徑22mm轉(zhuǎn)子完全能夠達(dá)到比較高的強(qiáng)化換熱效果，而且相間排列越頻繁，其換熱效果就越好。

（2）3種相間排列方案的阻力系數(shù)與外徑全22mm方案相差不大。

（3）將外徑22mm轉(zhuǎn)子和外徑19mm轉(zhuǎn)子以1∶1進(jìn)行相間排列的方案的PEC值最高，而且遠(yuǎn)高于外徑全19mm方案，與外徑全22mm方案相當(dāng)，其值達(dá)到了1.78～2.37。這說(shuō)明在工業(yè)應(yīng)用中，可以通過(guò)在外徑19mm轉(zhuǎn)子間排列外徑22mm轉(zhuǎn)子，以達(dá)到節(jié)省材料，節(jié)約成本的目的。

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