吴家声*　王庆均　屈仁均(武汉化工学院)

1 引言　
　　　近年来,各种新型高效换热器以及强化传热管的研究在国内外得到很大的发展,人们想尽各种办法实现强化传热,但归结起来大致有以下几种途径:(1)改变传热面的形状;(2)在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物;(3)强化壳程传热.



但如何更进一步提高换热器的生产能力,减少阻力损失及动力消耗,使之结构更紧凑、制造更简便,在保证获得较小压降的同时,获得更大的传热效率方面我们进行了一定的探讨.

　
　　　目前,国内外学者对粗糙管壁面强化传热进行了大量研究,但对双面粗糙管强化传热以及双面粗糙管与光管组成的混合管束的传热研究,尚未见报道.

本文按照强化传热效果{zh0}的原则,选取一定相对粗糙度和粗糙点间距,设计制造出纵向流双面粗糙管光管混合管束换热器,并对其进行了冷膜与热膜试验,探求了该种换热器流体阻力、传热效率以及综合性能指标α/ΔP与Re的关系.

同时还对光管管束、双面粗糙管管束及其混合管束进行了对比与评价.

2　试验研究　　
　　本文是在对双面粗糙管、光管混合管束换热器的传热,特别是管程的传热及压力降进行的理论研究基础上,自行设计了加工双面粗糙管的模具,并用该模具成功地压制出了高效双面粗糙管,在自行设计和安装的纵向流双面粗糙管换热器试验装置上进行了实验研究.

　
　　　本课题充分考虑并研究了在评价强化传热效果时的经济性、安全性、制造和安装工艺、运行可靠性以及维护是否方便等因素.

　
　　　试验装置与流程如图1所示.


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　　　　本试验系统由六大部分组成:　　(1)电加热器:控制管程气体温度的升降.

　　(2)鼓风机:系统中用2个鼓风机,一个鼓风机产生的空气经加热后流经管程后释放,另一个鼓风机产生的空气直接流经壳程后释放.

　　(3)换热器壳体:如图1所示,在壳体上设有冷、热流体的进、出口,在冷热气体进出口处按要求设气体温度与压降测试点.

　　(4)测试系统:冷、热气体流量分别用涡轮流量计与风速仪测量;在线温度测量仪有4个传感器,分别接入冷热流体进口与出口;管程与壳程压力差各用一U型压差计测量.

　　(5)管板与压板:对管板的设计,这里只根据布管情况进行考虑.

本试验布管是按正方形排列,并按TEMA规定进行设计的.

　　(6)作试件用的管束:　　其一,粗糙管内换热系数与粗糙度有关,粗糙度增大,换热系数亦必定增大.

这可从流体在粗糙壁面上的流动变化来解释.

对于湍流,层流底层的厚度小于粗糙点平均高度,流体流过粗糙点时,会产生局部分离(脱体)流动,分离流引起的旋涡使层流底层减薄,换热得到增强,而对于层流,层流底层厚度远大于粗糙点平均高度,流体流过粗糙点时不产生分离,从而显现出换热与粗糙度无关,这时的粗糙管与光滑管没什么差别.

　　其二,换热效率也与粗糙点的间距大小有关.

如果粗糙点的间距过大,液体在通过脱离区重新到达传热面后,由于没有得到后面粗糙肋及时的继续扰动,在传热面上将形成层流底层并逐渐增厚,因而使传热强化的效果降低.

相反,由于粗糙点的间距过小,流体在经过粗糙肋时发生的旋涡不能充分发展,涡流减弱,难以起到很大的增强传热的作用.

　
　　　综上所述,按{zj0}传热效果原则,我们取e/δb≈9,t/e≈10,其中δb为层流底层厚度(mm).

　　经过计算,得{jd1}粗糙度e=3mm,粗糙点间距t=30mm.

　　
本试验研究分为两部分:一部分为流体阻力试验,即冷膜试验;另一部分为传热试验,即热膜试验.

同时,分别对光管管束、双面粗糙管管束、光管与双面粗糙管组成的混合管束三种情况进行了测试,探求换热器流体阻力系数f、努塞尔特数Nu、综合性能指标α/ΔP与雷诺数Re的关系,进而对其进行分析与评价.

　　
　　为了验证本试验装置的可靠性,先做了无折流板光管换热器的传热试验,然后将试验结果与理论计算值进行比较,实验值与理论值吻合较好,说明本试验装置正常、合理、可靠.

为了确保试验的密封性,每次拆装管束后都进行了试漏工作,在密封性符合要求后才开始进行流阻与传热测试.

　　由于生产上目前广泛使用的内导流筒结构减少了布管数量,增加E流路旁流,为此,本试验装置采用外导流筒结构,它不仅可防止换热器入口处的冲击而使流体分布均匀,同时,进口段管束的传热面得到了充分利用,减少了死区,防止了流体在进口段引起的振动.

外导流筒对均布换热器壳程流体提高传热效率、降低阻力亦有重要作用,它还兼具一定的膨胀节作用,可承受部分轴向温差载荷.


3　实验结果及讨论　
　3.1　传热膜系数(α)与努塞尔特数(Nu)　
　　　　　实验数据采用回归方法进行处理,不论是光管管束、混合管束,还是双面粗糙管管束,其管程与壳程的传热膜系数(α)与努塞尔特数(Nu)均随雷诺数(Re)增加而增大,混合管束的管程与壳程的α与Nu明显高于光管管束.

　
　3.2　压力降与阻力系数
　　　　试验结果表明,粗糙管束的压力降与阻力系数明显大于光管管束与混合管束的,而混合管束的又明显大于光管管束的.


3.3 综合性能指标评价　
　　　根据实验数据进行计算和线性回归,可得综合性能指标α/ΔP与Re的关系.

结果表明,双面粗糙管混合管束的综合性能指标优于光管管束.

　
3.4 实验准则关系对比表　　
　　实验准则关系对比表见表1.


4　结论　　
　　(1)与光管管束相比,混合管束管程的传热膜系数平均提高37%左右,壳程传热膜系数平均提高40%左右.

　　
　　(2)在传热膜系数提高的同时,与光管管束相比,混合管束的阻力系数也提高了,其管程平均提高28%左右,壳程平均提高18%左右.



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　　(3)随雷诺数的增加,管程与壳程的传热膜系数增加得更快,但其阻力系数也增加得快.

另外,在混合管束中随双面粗糙管管数的增加,其管程与壳程的传热膜系数与阻力系数均增加,因而换热器的总传热效率提高.

在限定压降(阻力系数增加不多)情况下,双面粗糙管、光管混合管束换热器能大大提高传热系数,且能够同时增强管程与壳程传热效率.


　　　　(4)纵向流双面粗糙管混合管束换热器采用了管子自支承(仅用管箍),节省材料和设备投资,具有结构紧凑、易于加工、适用范围广的优点,使之具有强大的生命力.

　
　　　(5)对于双面粗糙管与光管组成的混合管束的传热与压降的研究,还有大量的工作有待进一步探讨和完善,例如,用其它材料制成的管束用于其它生产介质中,这方面的研究也是很有实用价值的