3種型式管殼式熱交換器綜合性能對比實驗研究

(廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院， 福建 廈門 361004)

試驗研究

3種型式管殼式熱交換器綜合性能對比實驗研究

朱志彬

(廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院， 福建 廈門 361004)

纏繞管式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐高壓以及換熱效率高等優(yōu)點，目前對其換熱性能的研究比較少。采用實驗方法分別對列管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器以及螺紋纏繞管式熱交換器這3種不同型式的管殼式熱交換器的殼程傳熱性能進行了系統(tǒng)研究，并且利用單位殼程壓降來評價纏繞管式熱交換器的綜合性能。實驗結(jié)果表明，在殼程流體體積流量相同的情況下，螺紋纏繞管式熱交換器的殼程傳熱系數(shù)和壓降最高，3種不同型式熱交換器的單位殼程壓降隨殼程體積流量的增加而降低，且在殼程體積流量相同的條件下，螺紋纏繞管式熱交換器的單位殼程壓降最大，有利于節(jié)約成本。

熱交換器； 傳熱系數(shù)； 壓降； 纏繞管； 對比實驗

熱交換器是熱力系統(tǒng)中重要的關(guān)鍵設(shè)備之一，大量應(yīng)用于能源、石油、化工、核能和制冷等領(lǐng)域[1-4]。在各種形式的熱交換器中，管殼式熱交換器由于結(jié)構(gòu)簡單、制造材料來源較廣、操作彈性大、單位體積傳熱面積大及傳熱效果好等特點被廣泛應(yīng)用[1]。列管式熱交換器管程和殼程的冷、熱流體溫度不同，當(dāng)兩種溫差比較大的流體進行換熱時容易造成管束和殼體處局部應(yīng)力集中，形成破壞[5-9]。纏繞管式熱交換器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、可耐高壓和可實現(xiàn)多股流換熱等特點，被廣泛應(yīng)用于石化、空分、核能及化工等領(lǐng)域[10-20]。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造手段特殊，國內(nèi)外對其研究不夠深入，因此纏繞管式熱交換器的換熱特性、流動特性以及各因素對熱交換器傳熱的影響機理尚不明確。為此，文中通過實驗測量了列管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器及螺紋纏繞管式熱交換器這3種不同型式管殼式熱交換器的傳熱系數(shù)、壓降等參數(shù)，對3種管殼式熱交換器的綜合性能進行對比研究。

1 熱交換器綜合性能實驗方法

1.1實驗方案及裝置

實驗中所采用的3種管殼式熱交換器的結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

管程熱水進口溫度控制在45 ℃左右，體積流量為0.60 L/s不變，依次改變殼程冷水體積流量為0.4 L/s、0.9 L/s、1.4 L/s，研究殼程體積流量對3種熱交換器傳熱效率的影響。傳熱和流動達到穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。

表1 3種熱交換器主要幾何尺寸

熱交換器綜合性能實驗裝置及測量系統(tǒng)由供料系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以及實驗?zāi)Ｐ?部分組成，見圖1。

供料系統(tǒng)由燃油鍋爐及熱水泵連續(xù)供給高溫水，由水箱及冷水泵連續(xù)供給冷卻水，流量均可通過閥門調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括壓力傳感器、鉑電阻、渦輪流量傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、轉(zhuǎn)矩傳感器、壓力表、顯示儀表、流量調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集器和計算機等。

圖1中p0為調(diào)節(jié)閥兩端壓差，p1為冷水泵進口壓力，p2為冷水泵出口壓力，p3為熱交換器管程出口壓力，p4為熱交換器殼程進口壓力，p5為熱交換器殼程出口壓力，p6為熱交換器管程進口壓力，T1為熱交換器殼程進口溫度，T2為熱交換器管程出口溫度，T3為熱交換器管程進口溫度，T4為熱交換器殼程出口溫度，F(xiàn)1為冷水泵的流量，F(xiàn)2為熱水泵的流量。

圖1 熱交換器綜合性能實驗裝置及工藝流程

1.2實驗流程

為比較3種不同型式管殼式熱交換器的綜合性能，需測量熱交換器傳熱系數(shù)和殼程壓降。燃油鍋爐產(chǎn)生的熱水經(jīng)熱水泵和閥門調(diào)節(jié)流量，送入熱交換器的管程，與殼程中的冷水換熱完成后經(jīng)管路流回鍋爐。水槽的冷卻水經(jīng)過閥門調(diào)節(jié)送入熱交換器殼程，與管程中的熱水進行換熱。管程、殼程中的流量由渦輪流量傳感器測量，進、出口壓力由壓力傳感器測量，進、出口溫度由溫度傳感器測量。所有傳感器信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)換，通過計算機處理并顯示結(jié)果。

為保證實驗結(jié)果的可比性，測量前確保3種熱交換器的初始條件基本相同，待工況穩(wěn)定后測量熱交換器各項數(shù)據(jù)。

熱交換器的傳熱速率可以表示為：

Q=KAΔtm

(1)

其中

A=πdonl

式中，Q為單位時間傳熱量，W；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；Δtm為平均溫差，℃；do為換熱管外徑，mm；n為換熱管數(shù)量；l為單根換熱管長度，m。

對于逆流傳熱，平均溫差為：

(2)

其中

Δt1=th1-tc2

Δt2=th2-tc1

式中，th1、th2為熱流體進、出口溫度，tc1、tc2為冷流體的進、出口溫度，℃。

Q可由熱流體放出的熱量或冷流體獲得的熱量進行計算：

Qh=qVhcph(th1-th2)

(3)

Qc=qVccpc(tc2-tc1)

(4)

式(3)和式(4)中，Qh、Qc為單位時間熱、冷流體放出的熱量，W；qVh、qVc分別為熱、冷流體體積流量，L/s；cph、cpc分別為熱、冷流體比定壓熱容，J/(kg·℃)。

由式(1)得冷、熱流體傳熱系數(shù)分別為：

(5)

(6)

則熱交換器總傳熱系數(shù)K為：

K=(Kh+Kc)/2

(7)

通過測量熱交換器殼程流體的進口壓力ps1、出口壓力ps2，便可以得到殼程流體流經(jīng)熱交換器的總壓力損失：

Δp=ps2-ps1

(8)

2 熱交換器綜合性能實驗結(jié)果與討論

2.1殼程傳熱系數(shù)

按上述實驗方法測量得到的3種型式管殼式熱交換器實驗數(shù)據(jù)見表2。表2中qVt、qVs分別為管程、殼程流體體積流量，Δp為殼程壓降。

表2 3種型式管殼式熱交換器實驗數(shù)據(jù)

3種管殼式熱交換器殼程總傳熱系數(shù)與體積流量關(guān)系曲線見圖2。

從圖2可以看出，3種管殼式熱交換器的總傳熱系數(shù)均隨殼程水體積流量的增大而增大。這主要是因為隨著殼程體積流量的增加，熱交換器中流體的湍流程度增大，強化了對流傳熱效果，因而3種熱交換器總傳熱系數(shù)均隨體積流量的增加而增加。當(dāng)殼程體積流量相同時，螺紋纏繞管式熱交換器總傳熱系數(shù)最高，列管式熱交換器總傳熱系數(shù)最低。這主要是因為相比其他兩種熱交換器，螺紋纏繞管中的螺紋提高了湍流程度，因而其傳熱系數(shù)最高。

圖2 3種型式管殼式熱交換器傳熱系數(shù)與體積流量關(guān)系曲線

2.2殼程壓降

3種管殼式熱交換器殼程壓降與體積流量關(guān)系曲線見圖3。

圖3 3種型式管殼式熱交換器殼程壓降隨殼程體積流量變化曲線

從圖3中可以看出，隨著殼程體積流量的增加，3種熱交換器殼程壓降均增加，且增加的幅度較快。在同等體積流量條件下，相比其他兩種型式的熱交換器，列管式熱交換器殼程壓降隨著體積流量增加的速度比較慢，而螺紋纏繞管式熱交換器與光管纏繞管式熱交換器殼程壓降隨體積流量的變化幾乎相同，表明螺紋對殼程介質(zhì)的流動有一定的干擾，但對殼程壓降影響較小。

2.3綜合性能殼程傳熱系數(shù)和壓降是衡量管殼式熱交換器綜合性能(單位殼程壓降下的傳熱系數(shù)α/Δp)的主要指標(biāo)，α/Δp的數(shù)值越大，說明熱交換器的綜合性能越好。3種管殼式熱交換器綜合性能指標(biāo)與體積流量的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 3種型式管殼式熱交換器綜合性能與體積流量關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，隨著殼程介質(zhì)體積流量的增加，3種熱交換器綜合性能均下降，且下降的幅度不同，其中螺紋纏繞管式熱交換器下降幅度較大，列管式熱交換器下降幅度較小。當(dāng)殼程體積流量增大3倍時，3種熱交換器綜合性能指標(biāo)隨體積流量的變化幅度降低。在殼程體積流量相同的情況下，3種熱交換器綜合性能從高到低依次是螺紋纏繞管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器、列管式熱交換器。因此，在同等條件下，選用螺紋纏繞管式熱交換器相比其他熱交換器能夠降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)效益。

從圖4中可以看出，隨著殼程介質(zhì)體積流量的增加，3種熱交換器綜合性能均下降，且下降的幅度不同，其中螺紋纏繞管式熱交換器下降幅度較大，列管式熱交換器下降幅度較小。當(dāng)殼程體積流量增大3倍時，3種熱交換器綜合性能指標(biāo)隨體積流量的變化幅度降低。在殼程體積流量相同的情況下，3種熱交換器綜合性能從高到低依次是螺紋纏繞管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器、列管式熱交換器。因此，在同等條件下，選用螺紋纏繞管式熱交換器相比其他熱交換器能夠降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)效益。

3 結(jié)語

對3種不同型式管殼式熱交換器進行的綜合性能實驗結(jié)果表明，熱交換器殼程傳熱系數(shù)、壓降均隨殼程體積流量的增大而增大，但增大的幅度不同。在殼程體積流量相同條件下，螺紋纏繞管式熱交換器傳熱系數(shù)最大、壓降最小，列管式熱交換器傳熱系數(shù)最小、壓降最大，光管纏繞管式熱交換器傳熱系數(shù)和壓降介于兩者之間。采用單位殼程壓降下的傳熱系數(shù)衡量3種熱交換器綜合性能，螺紋纏繞管式熱交換器綜合性能要優(yōu)于其他兩種熱交換器，在條件允許的情況下選用螺紋纏繞管式熱交換器有利于節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。

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(張編)

ContrastExperimentalResearchonThreeDifferentTypeofShell-and-tubeTubeHeatExchanger

ZHUZhi-bin

(Xiamen Special Equipment Inspection Institute， Xiamen 361004， China)

Screw spiral-wound exchanger possesses many advantages such as compact structure， pressure resistance，and high efficiency，and so on. However，there were relatively few studies on its heat transfer. In order to study its heat transfer，the shell heat transfer properties in three kinds of shell-and-tube heat exchanger as tubular exchanger，smooth spiral-wound exchanger，screw spiral-wound exchanger were investigated by experiment systematically. Each unit shell pressure drop was used to evaluate overall performances of heat exchanger，and the results showed that with the same fluid flow in shell side，the shell heat transfer coefficient and pressure drop of screw spiral-wound exchanger were highest. Shell pressure drop of three kinds of shell-and-tube heat exchanger decreases with increasing fluid flow in shell side，and with the same fluid flow in shell side per unit shell pressure drop of screw spiral-wound exchanger were highest.

heat exchanger； heat transfer coefficient； pressure drop； spiral-wound； contrast experiment

TQ051.5； TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.001

1000-7466(2017)03-0001-05①

2016-12-04

福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技資助項目(FJQI2014021)

朱志彬(1979-)，男，福建泉州人，高級工程師，博士，主要從事特種設(shè)備檢測與節(jié)能評價工作。