空气在不同管束的螺旋隔板换热器壳侧传热与流阻性能实验研究.docxVIP

空气在不同管束的螺旋隔板换热器壳侧Ξ传热与流阻性能实验研究华南理工大学曾文良林培森张正国王世平摘要以现场的压缩空气为工质 , 分别对花瓣状翅片管 ( PF 管) 与低肋管在螺旋隔板的支承下的传热与流阻性能进行了实验研究 , 研究结果表明花瓣状翅片管比低肋管具 有更优越的传热性能 , 在同等的传热量下 , PF 管螺旋隔板换热器的气侧传热系数比低胁 管螺旋隔板换热器高出 20 %～50 % , 其压力损失比低肋管低 30 %～40 % 。关键词螺旋隔板换热器传热性能流阻性能花瓣状翅片管1前言器和后冷器存在的不足而进行强化传热研究 , 因此研究的工质是工厂现场的压缩空气 , 研究空气在不 同的管束的螺旋隔板换热器的传热与流阻性能 。螺旋隔板换热器是一种高效的管壳式换热器 ,对其研究始于 80 年代初 。1983 年 ,J . Lutcha 和 J . Nemcansky 首先提出使壳程流体作螺旋运动而强化换热器壳侧的传热性能 , 并开始着手从事螺旋隔板 换热器的实验研究 。几乎就在同时 , 我国南京炼油 厂换热器试制组也开始螺旋隔板换热器的研究 , 然 而由于当时他们没有找到合适的螺旋隔板换热器2实验装置 、流程和方法实验所用的换热器及传热管的几何结构参数见表 1 , 其 外 观 如 图 1 所 示 。其 中 花 瓣 状 翅 片 管(以下简称 PF 管) 是由华南理工大学王世平 、林培的结构参数 , 从而使得实验结果不能令人满意[1 ] 。 森教 授 于 1993 年 研 制 成 功 的 , 其 结 构 如 图 2 所示[ 6 ] 。本实验的流程如图 3 所示 。实验分两种方案进行 , 一种是保持冷却水流量不变 , 依次改变空 气的体积流量 , 通过传热系数的分离来求得空气侧 的对流传热系数[7 ] ; 另一种是保持空气的流量不 变 ,依次改变冷却水的流量 , 从而考察冷却水对总J . Lutcha 等在文献 [ 2 ] ～ [ 4 ] 中系统地对不同螺旋角的换热器的传热与流阻性能进行了实验研究 , 提 出了最优的换热器结构参数 , 认为螺旋角为 40°的 换热器的传热与流阻性能达到最优 , 并与弓形隔板 换热器进行了比较 , 得出螺旋隔板换热器的主要优点是具有优良的传热性能和较低流动阻力的结论 。 传热系数的影响 。实验过程中使用的仪表都是经近年抚顺石油学院的研究人员对不同介质在光滑过校正的 , 完全能够满足实验要求 。表 1实验用换热器的几何结构参数管螺旋隔板换热器中的传热和流阻进行了中试实验 , 实验结果表明 , 对于低粘度流体 , 其 α/ ΔP 是弓 形隔板的 214 倍 , 对于高粘度流体 , 其 α/ ΔP 是弓 形隔板的 115 倍[5 ] 。尽管螺旋隔板换热器已经在工业过程中有所 应用 , 但主要是与光滑管搭配 , 而且工程设计和应 用还缺乏一些重要的基础数据 , 特别是用于气体和 两相流的强化传热 。本研究主要针对压缩机中冷Ξ 本文研究系广东省自然科学基金资助项目收稿日期 :1999 —06 —21换热器编号12壳体内径 D ( mm) 传热管名称 螺旋角 (°)传热管尺寸 (mm)传热管根数 胚管外表面积 ( m2 )胚管重量 ( kg)13918PF 管11?10 ×110 ×6873201691515313918低肋管11?1217 ×113 ×68732018779111试验研究流体机械1999 年 11 月6图 1实验用螺旋隔板换热器结构图 2花瓣状翅片管 ( PF 管) 结构图 3实验流程但是 PF 管 的 管 外 给 热 系 数 比 低 肋 管 高 20 % ～50 % 。在较低的气体流速下 , PF 管的性能表现得 更为明显 , 比低肋管高 50 %左右 , 这主要是因为 PF管具有三维的翅片结构 , 且管外翅片是有规则地间断的 , 当气体在螺旋流道内流动时 , 气体基本上与3实验结果及其分析311壳程传热实验结果及分析壳程传热实验结果如图 4 所示 。当气体在低肋管 、花瓣状翅片管 ( PF 管) 外流动时 , 管外给热系数 α0 随着空气体积流量的增大 而增大 , 且它们之间的关系基本上接近线性关系 ,管外翅片作剪切运动 , 气体的边界层将不断地分离 , 从而减薄边界层的厚度 , 达到减少传热热阻 、提 高换热系数的目的 。第 27 卷第 11 期流体机械7图 4 管外给热系数 、总传热系数与气体体积流量的关系312壳程流动阻力实验结果及分析传热管和翅片的冲击也不断加强 , 这使得流体的流动压降进一步加大 , 也就是表现为压降急剧上升 。4螺旋隔板换热器的整体性能评价要评价任一换热器的综合性能都是要从传热性能 、流动阻力 、生产成本和工程应用等多方面来 进行的 。文献 [ 8 ]提出的