翅片管單管傳熱性能測(cè)試分析與評(píng)價(jià)

1、翅片管單管傳熱性能測(cè)試分析與評(píng)價(jià)徐建民 謝國(guó)雄 夏文武 喻九陽 趙天波（武漢化工學(xué)院） （湖北長(zhǎng)江石化設(shè)備）摘要 ：根據(jù)JB/TQ537空冷器翅片管單管傳熱性能測(cè)試方法和GB/T15386空冷式換熱器的規(guī)定和要求，對(duì)不同參數(shù)規(guī)格的翅片管進(jìn)行了單管空冷傳熱性能測(cè)試，得出了總傳熱系數(shù)K與有效通風(fēng)截面積空氣質(zhì)量流速U的關(guān)系曲線和關(guān)聯(lián)式，分析了影響傳熱性能的主要因素。關(guān)鍵詞：翅片管 換熱器 傳熱性能 測(cè)試 分析0 前言 翅片管作為一種高效傳熱元件廣泛應(yīng)用于石油化工及各種空冷設(shè)備中，其傳熱性能對(duì)設(shè)備的冷卻效果具有決定性作用1。為了探究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)翅片管的性能，本文對(duì)不同直徑的軋制和繞制翅片管進(jìn)行了單管傳

2、熱性能測(cè)試與分析評(píng)價(jià)。1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試流程試驗(yàn)裝置如圖1所示。管內(nèi)走水蒸氣，管外為冷空氣。蒸汽溫度及冷空氣進(jìn)、出口溫度采用鉑熱電阻進(jìn)行測(cè)量，凝液溫度采用水銀溫度計(jì)測(cè)量，空氣流量采用笛型均速管差壓傳感表1 06#試件傳熱參數(shù)測(cè)試記錄（試驗(yàn)環(huán)境大氣壓為100360Pa，環(huán)境溫度為35 ）進(jìn)氣管空氣流量m3.h一1 進(jìn)氣管測(cè)點(diǎn)空氣溫度進(jìn)氣管測(cè)點(diǎn)空氣壓力（表壓）pa風(fēng)筒測(cè)試段空氣進(jìn)口溫度 風(fēng)筒測(cè)試段空氣出口溫度管內(nèi)蒸汽溫度 管內(nèi)蒸汽壓力MPa凝液溫度 蒸汽質(zhì)量流量kg.h-1最窄截面質(zhì)量流速U6Kg.m-2.s-1傳熱系數(shù)K6 w.m-2.c-1 2c一118043.6 520 41.3 60.71

3、10.10.143399.51.7624.332873.320044.765043.261.4109.90.142899.31.8344.802933.322044.978044.361.4110.70.146899.61.8695.286957.624044.994044.760.8109.80.142399.41.9295.775995.026044.7112044.760.1110.00.143399.52.0006.2721022.528044.5131044.659.5110.60.146399.42.0846.7711054.530044.3151044.558.7110.10.1

4、43899.42.1567.2741080.8變送流量計(jì)測(cè)量。測(cè)試時(shí)，首先控制進(jìn)口蒸汽穩(wěn)定為110飽和水蒸氣，而后使其進(jìn)入翅片管，與風(fēng)筒內(nèi)的冷空氣進(jìn)行熱交換。對(duì)風(fēng)筒內(nèi)有效通風(fēng)面積的空氣質(zhì)量流速在412kg/(m2s)范圍內(nèi)選定各適宜的測(cè)試值，待管內(nèi)外的進(jìn)、出口溫度等參數(shù)穩(wěn)定（約15min）后，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試記錄。 圖l翅片管單管傳熱性能測(cè)試裝置流程 1分離器2保溫材料3-測(cè)試件4-風(fēng)筒5凝結(jié)水箱 6過冷器7計(jì)量裝置8減壓閥2測(cè)試結(jié)果與分析2.1誤差控制與測(cè)試結(jié)果計(jì)算 表1為06#試件測(cè)試與K值計(jì)算結(jié)果（其它試件略）。按JB/TQ537規(guī)定：測(cè)試中控制空氣及水蒸氣溫度誤差為±1 C，

5、凝液溫度誤差±0.5，空氣和凝液質(zhì)量流量誤差為土1%;測(cè)試結(jié)果以傳熱系數(shù)K值表征翅片管的傳熱性能，并確定K值與有效通風(fēng)截面積空氣質(zhì)量流速U間的關(guān)系及其關(guān)聯(lián)式。K值按下式計(jì)算： (1) 且控制空氣熱流量： 其中水蒸氣熱流量計(jì)算：其中 傳熱平均溫差計(jì)算:式中 F翅片段基管外表面積，m2 Ga空氣質(zhì)量流量，kg/s Cpa空氣定壓比熱容，kj/(kg) ta2j出口空氣干球溫度計(jì)算值， ta1空氣進(jìn)口溫度， ta2空氣出口溫度， A保溫層面積，m2 tv飽和蒸汽溫度， 保溫層厚度，m Gv蒸汽質(zhì)量流量，kg/s V1凝液密度，kg/m3 Vl凝液體積，m3 收集凝液時(shí)間，s tvl管內(nèi)進(jìn)口

6、飽和蒸汽溫度，tv2管內(nèi)出口凝液溫度， 表2 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)試件編號(hào) 翅片類型 基管規(guī)格mm 翅片標(biāo)準(zhǔn)外徑mm 實(shí)測(cè)外徑mm 翅片段總長(zhǎng)mm 翅片總數(shù) 實(shí)測(cè)平均片距mm翅厚mm傳熱面積m2 有效通風(fēng)截面積m2 備注01DR25X 2.5 57 55.556300 1132.200.5 0.039 0.012002 DR25×2.5575556 297112 2.20 0.5 0.0390.012003 DR25×2.5 50 4952 296 121 2.30 0.5 0.0390.012204 L25×2.5 505052 293 120 2.30 0.5 0.0

7、39 0.012205 L25×2.55755.5295 1312.30 0.2 0.0390.0130繞制欠緊密06 L25X2.5 5755.5 295 138 2.30 0.2 0.0390.0130 2.2 試件的K-U曲線和關(guān)聯(lián)式 根據(jù)實(shí)測(cè)的U及所計(jì)算的K值，將01#06#試件的傳熱系數(shù)K與風(fēng)筒有效通風(fēng)截面積內(nèi)空氣質(zhì)量流速U的關(guān)系曲線均示于圖2中。圖2中6條曲線各兩兩接近，形成三組，每組分別為具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的兩個(gè)試件（見表2）的曲線。為此，將相同結(jié)構(gòu)參數(shù)試件01#與02#，03#與04#，05#與06#的K-U曲線各兩兩取平均值擬合，從而得出三種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)翅片管的傳熱系

8、數(shù)關(guān)聯(lián)方程分別為：57軋制 K1.2=533.98 U0.3155 (2)50軋制 K3.4=338.50 U0.4953 (3)57繞制 K5,6=507.3 U0.3751 (4)式中U的單位為kg(m2.s)。采用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量測(cè)試點(diǎn)與擬合曲線之間的回歸誤差，誤差分別為3.4 -1.3%，5.61.0%。2.3傳熱性能影響因素分析表2中6個(gè)試件基管外徑相同但翅片類型不同。其中，Ol#04#均為0.5mm厚的軋制翅片，但翅片外徑不同，即01#、02#外徑為57mm，而03#、04#外徑為50mm；05#、06#為外徑57rnm的纏繞翅片管，且翅片較薄，其厚度為0. 2mm。由表2可知，在翅片

9、換熱器中，實(shí)測(cè)的有關(guān)翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值并不完全一致。例如0l#、04#試件測(cè)試翅片外徑為4952mm平均值略大于標(biāo)準(zhǔn)外徑50mm，可視其為50mm標(biāo)準(zhǔn)外徑；而01#、02#及05#、06#實(shí)測(cè)翅片外徑為55.556.0mm，略小于標(biāo)準(zhǔn)外徑57mm，可將其視為57mm標(biāo)準(zhǔn)外徑。六個(gè)試件的翅片間距均為2.3mm，但也有實(shí)測(cè)平均片距略小于2. 3mm的。根據(jù)試件的結(jié)構(gòu)尺寸，參照?qǐng)D2，按翅片外徑大小及其厚度和成型制造方法三種不同類型，可以看出影響翅片管傳熱性能的主要因素：圖2 Ku 關(guān)系曲線 (1)在翅片成型方法和片厚、片距相同條件下，翅片直徑大者(01#、02#)相對(duì)于較小者(03#、04#

10、)，K值高，傳熱效果好。例如，在(J，- 6kg/(m2s)時(shí)，由式(2)、(3)計(jì)算的57的傳熱系數(shù)為50傳熱系數(shù)的1.14倍。 (2)翅片厚度對(duì)傳熱性能影響尤為顯著。通常，在翅片外徑和片距相同條件下，軋制成型翅片管的傳熱性能略優(yōu)于繞制管2，但圖2中05#、06#繞制件K值卻高于01#、02#軋制件，其主要原因在于前者翅片(0. 2mm)較后者(0. 5mm)薄，僅為后者的40%。因而在測(cè)試段長(zhǎng)度基本相同情況下，繞制管的翅片數(shù)多，翅片總散熱面積大，傳熱量也大，自然按式(1)計(jì)算K值要大些。例如，在U=6kg/(m2s)時(shí)，由表3 各試件實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)K與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的對(duì)比翅片管編號(hào) 翅片標(biāo)準(zhǔn)

11、外徑mm 翅片種類 GB/T15386規(guī)定最小傳熱系數(shù)w.m-2.C-1 實(shí)測(cè)傳熱系w.m-2.c-1 實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)0157DR735944.11.2802 57DR 735948.71.2903 50DR 650811.91.2504 50DR650833.81.2805 57L710980.01.3806 57L7101007.71.42式(4)、(2)兩關(guān)聯(lián)式計(jì)算的K值，0.2mm片厚為0. 5mm片厚的1.05倍。 (3)在翅片制造成型方法和結(jié)構(gòu)尺寸相同時(shí)，制造質(zhì)量對(duì)傳熱性能有一定的影響。例如，05#試件繞制緊密性較06#差些，故在圖2中，05#的K -U，曲線居06#曲線的F方，在U=Gkg(m2s)時(shí)，其K值約低2.8%。3結(jié)論按照GB/T15386 - 94空冷式換熱器的要求，在管內(nèi)為l10c飽和水蒸氣，空氣人口溫度為室溫，風(fēng)筒有效通風(fēng)截面積空氣質(zhì)量流速為6kg/(m2s)條件下，單管實(shí)測(cè)傳熱系數(shù)K值應(yīng)