多面折流片用于管式換熱器內的強化傳熱性能

1、多面折流片用于管式換熱器內的強化傳熱性能 更新時間：2010-05-24 15:13:50曹振恒1,2，閆紅文3，劉樹繁3，高曉明1,2，付峰1,2（1陜西省化學反應工程重點實驗室，陜西延安716000；2延安大學化學與化工學院，陜西延安716000；3陜西延長石油（集團）有限責任公司，陜西西安710075）摘要：設計和制作了一種新型傳熱強化元件多面折流片，用于管式換熱器管內的傳熱強化。初步測定了兩種尺寸結構的折流片強化后換熱器管內的對流傳熱努塞爾數(shù)、阻力損失、綜合性能評價因子與雷諾數(shù)的關系，并與空白實驗相對照，實驗表明：多面折流片能明顯改善管式換熱器的傳熱性能，可使管內對流傳熱系數(shù)提高55%

2、100%，強化效果與多面折流片的結構參數(shù)有關。折流片145的綜合性能評價因子在實驗范圍內均大于1，在Re=2000021000時，max=1.156，與無強化時相比，換熱器的綜合性能得到了明顯改善。關鍵詞：多面折流片；場協(xié)同；綜合性能評價因子；管式換熱器；內強化換熱器是許多工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設備，廣泛用于石化、煤化、輕工、航空航天等工程領域。在形式各異的換熱器中，管式換熱器仍占據(jù)主要地位。管式換熱器的傳熱強化早已成為工程領域的研究熱點之一。減少換熱器對流傳熱熱阻的簡單方法是利用強化元件增加擾流，強化元件主要包括在換熱器中使用的螺紋管、橫紋管、縮放管、螺旋翅片管以及在換熱管中加擾流件來強化管內

3、換熱等。在換熱管內加入擾流件進行強化傳熱在工業(yè)上已經(jīng)使用了很多年，它可以使總傳熱系數(shù)明顯的提高，大大節(jié)省換熱器的傳熱面積，降低設備重量，節(jié)約大量金屬材料。國內外許多學者致力于管式換熱器內插件強化傳熱的研究1-8，本文以一種新型傳熱強化元件多面折流片為內插件，初步研究了其對管式換熱器的傳熱性能的強化作用和影響。1.實驗及方法1.1多面折流片的結構我課題組設計、制作了一種新型傳熱強化元件多面折流片，可插入管式換熱器管內作為傳熱強化元件，實驗初步研究了該類傳熱強化元件對管式換熱器的傳熱性能、阻力性能以及綜合性能的影響。多面折流片制作前為一定尺寸的矩形金屬片，按圖1所示方式同向疊扭即成本實驗所用的多面

4、折流片。圖1中，ABCCADDCE，并且均為等腰三角形，其中點A、C、D等均為上述等腰三角形的頂點。內強化元件插入管程后如圖2所示，折流片單元三角形的頂點分別內接于換熱器的管程內壁的圓面上。多面折流片各單元三角形的頂點沿管軸方向的投影分別重合，即軸向投影所得ABC為一正三角形，三角形與內壁之間的弓形空隙，可供流體自由通過。將上述折流片置于管式換熱器的圓形直管內，流體沿軸線方向進入管內后，在多面折流片折面的強制作用下，管內流體的流場將發(fā)生明顯改變，部分流體沿折面以某種方式繞流（見圖3），從而推動和加強管壁處流體的湍動，降低其對流給熱的熱阻，達到強化傳熱的目的。可以通過改變多面折流片單元三角形頂角

5、的角度，即改變圖1中ABC的頂角BAC的角度，達到改變多面折流片扭曲程度等尺寸參數(shù)的目的，從而比較不同尺寸結構的折流片對管式換熱器的傳熱強化效果。本實驗初步測定了BAC分別等于60o和145o的兩種不同形狀的多面折流片的內強化傳熱性能，為方便，下文中分別記這兩種多面折流片為：折流片60、折流片145，并與空白實驗，即無折流片的情況進行了比較。1.2實驗方法實驗所用的換熱器為套管式換熱器，內管為紫銅管，外管為不銹鋼管。冷流體空氣走管程，熱流體水走殼程，逆流換熱。套管換熱器各結構參數(shù)見表1。實驗中控制空氣、水的流量，溫度等參數(shù)保持穩(wěn)定，測取相關數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理、分析和對比。2.結果與討論

6、按照1.2節(jié)中所述的方法，進行實驗，并對所得原始實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到套管換熱器內管管內流動雷諾數(shù)Re、對流傳熱努塞爾數(shù)Nu、流動阻力損失hf和綜合性能評價因子等數(shù)據(jù)，匯總列于表2。2.1對流傳熱努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的關系據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，將套管換熱器內管對流傳熱的努塞爾數(shù)Nu與其流動雷諾數(shù)Re作圖，見圖4。由圖4可見，兩種尺寸的折流片均可使套管換熱器內管對流傳熱的努塞爾數(shù)Nu明顯增加，由圖4和表1中數(shù)據(jù)估算可知，折流片60、折流片145可分別使管內對流傳熱系數(shù)增加98%100%、55%95%。這是由于流體流經(jīng)多面折流片時，促使流體做類似螺旋式繞流，有效控制邊界層的發(fā)展，減薄層流內層厚度，減小管內傳

7、熱阻力，起到強化傳熱的目的。而且折流片單元三角形的頂角越小，則折流片的扭曲度越大，對管內流體的擾動越劇烈，徑向流動加劇，從而使管壁處層流內層的厚度進一步減薄，故有Nu折流片60Nu折流片145Nu無折流片，并且管內流體流動的雷諾數(shù)Re越大（空氣流量越大），多面折流傳熱強化效果越顯著。2.2流體阻力損失與雷諾數(shù)的關系據(jù)表2數(shù)據(jù)，將換熱器內管流動阻力損失hf與其流動雷諾數(shù)Re作圖，見圖5。由圖5可以看出，折流片的加入使得換熱器內管的阻力損失有不同程度的增加，且有hf折流片60hf折流片145hf無折流片。雷諾數(shù)Re越大，阻力損失hf越大，但是，加裝折流片60的后的換熱器的阻力損失隨雷諾數(shù)增加的速率

8、遠大于折流片145和無折流片的空白實驗。實驗中流體作類似螺旋繞流運動時的阻力可以分為黏性作用引起的摩擦阻力和流向改變引起的形體阻力。多面折流片單元三角形頂角越小，折流片扭曲度就越大，折流片表面和流體主體流向之間的夾角就越大，使得形體阻力也快速增加。2.3綜合性能評價因子與雷諾數(shù)的關系綜合圖4和圖5可以看到，多面折流片單元三角形頂角越小，則所構造的折流片的扭曲度越大，傳熱系數(shù)增加越多，同時，流體流動的阻力損失也越大，這樣還無法判斷那一種折流片的總體性能更好。本文采用綜合性能評價因子來描述多面折流片強化傳熱的綜合性能9，其定義如式（1）。式中，Nu0、f0為無強化時換熱器內管的傳熱努塞爾數(shù)和流體流

9、動阻力系數(shù)；Nu、f為強化后換熱器內管的傳熱努塞爾數(shù)和流體流動阻力系數(shù)。綜合性能評價因子以無強化管為參照基準，1表示強化元件的綜合性能較無強化時得到了加強，一般來說，越大說明其綜合性能越好。據(jù)表2數(shù)據(jù)，將本文所用的兩種多面折流片強化傳熱的綜合性能評價因子與管內流動雷諾數(shù)Re作圖，見圖6。圖6可以看出，折流片145的綜合性能評價因子曲線在=1的上方，表明這種多面折流片使得管程的綜合傳熱性能得到改善。而折流片60的綜合性能評價因子均小于1，表明這種多面折流片雖然可強化傳熱，但阻力增加過多，導致其綜合性能較差。折流片60和折流片145的綜合性能評價因子在雷諾數(shù)Re約為20000附近處分別達到最大值，

10、說明該類傳熱強化元件存在與之匹配的、適宜的流動雷諾數(shù)值，也說明多面折流片特殊的多平面結構基本符合場協(xié)同原理1011優(yōu)化換熱器傳熱性能的要求。3結論本文所用兩種多面折流片（折流片60和折流片145）可分別使套管換熱器管內對流傳熱系數(shù)提高55%95%和98%100%。在實驗范圍內，折流片145的綜合性能評價因子均大于1，在Re=2000021000時，綜合性能評價因子達到最大值約為1.156，換熱器的綜合性能得到明顯改善。多面折流片簡單而特殊的結構正好可以發(fā)揮其較好的場協(xié)同效應，從而使得換熱器的綜合性能明顯改善。多面折流片的結構參數(shù)對管式換熱器的綜合性能起決定性作用。折流片強化換熱主要是利用流體旋繞