梯形波帶內(nèi)控件強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)研究

梯形波帶內(nèi)控件強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)研究

在現(xiàn)代工業(yè)中，換熱設(shè)備占很大比例。如何提高換熱設(shè)備的傳熱能力,以較低的投人獲取較大的效益,在能源日益緊張的今天,已成為不容忽視的問(wèn)題。強(qiáng)化傳熱技術(shù)便是解決這一問(wèn)題的有效辦法。強(qiáng)化傳熱的方法較多,其中管內(nèi)插人物強(qiáng)化方式特點(diǎn)最為顯著。國(guó)內(nèi)外見(jiàn)著報(bào)導(dǎo)的有插人直條形和螺線(xiàn)形插件,管內(nèi)插入擾流裝置相對(duì)成本低,工藝簡(jiǎn)單,清潔容易,并可以有效防止污垢生成,對(duì)舊設(shè)備的革新挖潛尤為有利。筆者將研究在不增加流量的情況下,通過(guò)增設(shè)內(nèi)置梯形波帶使換熱管內(nèi)流體團(tuán)塊移動(dòng)到壁面后,沿梯形波帶斜片回到中部流動(dòng),以提高其傳熱的系數(shù)。采用實(shí)驗(yàn)的方法,在相似理論的基礎(chǔ)上,制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?設(shè)計(jì)不同幾何參數(shù)梯形波帶擾流組件。測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,線(xiàn)性回歸出換熱器的傳熱計(jì)算關(guān)系型。1實(shí)驗(yàn)1.1鋼管傳熱及水浴從體角度傳熱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)流程。換熱實(shí)驗(yàn)管段部分為可拆式的水浴套筒套管,傳熱內(nèi)管采用無(wú)縫鋼管,規(guī)格為外徑25.4mm、內(nèi)徑20.4mm的鋼管,有效長(zhǎng)度L為1500mm,管內(nèi)走冷卻水。水浴套筒的管徑D為300mm,長(zhǎng)度L為1500mm,套筒內(nèi)為80℃的熱水,套筒外側(cè)有10mm厚的保溫層。傳熱管兩端接有壓力計(jì)和兩只溫度計(jì),以測(cè)量?jī)啥说膲航导皽囟茸兓?流體的實(shí)際體積流量Q由泵(蠕動(dòng)泵)調(diào)節(jié)測(cè)量。1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)施元器件梯形波帶,結(jié)構(gòu)如圖2所示,它是由3mm厚的不銹鋼片制成的。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種類(lèi)型的內(nèi)插件(表1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1.3控制柜控制與負(fù)反饋控制系統(tǒng)為了使水浴套筒內(nèi)水溫保持在80℃,測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到控制柜,并由控制柜控制加熱器的開(kāi)與關(guān),該控制系統(tǒng)(圖3)為負(fù)反饋控制系統(tǒng),它可以大大地減少操作人員的勞動(dòng)量,而且操作簡(jiǎn)單易于保證溫度在80℃。1.4性能測(cè)試方法在圖1實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)光管和不同梯形波帶內(nèi)插件管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。步驟如下:a.將換熱器殼體內(nèi)裝滿(mǎn)水并進(jìn)行加熱,待水加熱并穩(wěn)定在80℃左右。b.進(jìn)行空管實(shí)驗(yàn)。開(kāi)啟泵,將冷水打進(jìn)光滑換熱管內(nèi),熱水對(duì)換熱管內(nèi)的冷水進(jìn)行加熱,之后流出進(jìn)入儲(chǔ)液槽。水流量從1450mL/min上升到3480mL/min測(cè)8組數(shù)據(jù),再?gòu)?480mL/min返回到1450mL/min測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)包括水流量、兩只溫度計(jì)讀數(shù)、壓力差和水浴套筒內(nèi)水溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證流量穩(wěn)定,將上升段和下降段同流量下的測(cè)量資料取平均值。c.將不同的梯形波帶放入空管中重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析由傅立葉定理Q=KAΔt對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得如圖4所示曲線(xiàn)。從圖4可以看出,換熱管中置入梯形波帶擾流組件后,隨著流體流量q的增大,換傳熱系數(shù)h都逐漸增大,該變化趨勢(shì)與光管是一致的。另外,在同一雷諾數(shù)下,本實(shí)驗(yàn)插入不同種類(lèi)梯形波帶擾流組件的換熱管傳熱系數(shù)h值明顯要比無(wú)梯形波帶插件時(shí)高,而交叉梯形波帶的強(qiáng)化換熱最好。從圖中容易看出換熱系數(shù)h提高率約為126%～220%。由圖5壓降Δp與流體流量q關(guān)系曲線(xiàn)可以看出,壓降Δp隨著流體流量q的增大而增大,并且內(nèi)置梯形波帶內(nèi)插件擾流組件的換熱管的壓降Δp大于光滑管的壓降,表明換熱管內(nèi)置入梯形波帶擾流組件后使得流體流動(dòng)阻力增大。而交叉梯形波帶擾流組件引起的流體阻力比單一梯形波帶的都要大。換熱管內(nèi)對(duì)流傳熱膜系數(shù)通過(guò)修正的Wilson圖解法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到,根據(jù)傳熱關(guān)系型Nu=C·Rem·Prn進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合,得到回歸方程列于表2。其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2值都大于0.90,說(shuō)明擬合精度很高。另外,在光滑管實(shí)驗(yàn)中得出關(guān)系Nu=0.057967Re0.28707Pr0.3218型與文獻(xiàn)中光管關(guān)系型Nu=0.0338Re0.2915Pr0.2793基本趨于一致?？梢?jiàn),實(shí)驗(yàn)裝置合理,數(shù)據(jù)可靠。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)文獻(xiàn)中的強(qiáng)化換熱準(zhǔn)則(PEC)計(jì)算,所有PEC值都大于2。證明梯形波帶內(nèi)插件確實(shí)是一種良好的加強(qiáng)換熱能力的組件,且能夠減緩流動(dòng)阻力的增加。3不同的速度下實(shí)驗(yàn)波帶的影響雖然本實(shí)驗(yàn)裝置合理,但也存在不可避免的誤差,而出現(xiàn)的誤差主要有:a.在換熱器制作過(guò)程中,由于條件有限,管內(nèi)壁不是嚴(yán)格光滑,這樣對(duì)實(shí)驗(yàn)流體流動(dòng)會(huì)造成一定的影響。所需梯形波帶均由手工進(jìn)行制作和校準(zhǔn),加工出來(lái)的試件必然會(huì)存在一定的誤差;b.實(shí)驗(yàn)中,假定冷流體是穩(wěn)定流動(dòng)的,但由于冷流體由自來(lái)水管直接引入,所以難免會(huì)產(chǎn)生波動(dòng);c.雖然管壁外敷設(shè)了保溫層,但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,熱損失仍不可避免,并且實(shí)驗(yàn)中管內(nèi)流體的復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)難以劃分確定,很多經(jīng)驗(yàn)公式不能準(zhǔn)確反映。4不同梯形波帶的傳熱關(guān)系4.1對(duì)插入梯形波帶后換熱管的換熱量和總傳熱系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算可知,傳熱系數(shù)h的提高率在126%～220%,管道中插入梯形波帶起到了強(qiáng)化傳熱的作用,而且效果明顯。4.2通過(guò)修正的Wilson圖解法分離出了換熱管內(nèi)對(duì)流傳熱膜系數(shù),與Microsoftexcel數(shù)據(jù)分析功能模塊的回歸選項(xiàng)相結(jié)合,得到了各種梯形波帶組合的傳熱關(guān)系型。4.3換熱管內(nèi)插入梯形波帶后的Nu數(shù)與光管的Nu0數(shù)相比,前者明顯大于后者。4.