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1、组合式传热性能影响因素.freel。套管式换热器壳程尺寸为Ф57mm×3.5mm,管程尺寸为Ф25mm×0.5mm,材质均为304不锈钢。分别在换热器壳程和管程进、出口处各加装一个热电阻式温度传感器,以便对冷、热媒的进、出口温度进行控制及测量;在管程与壳程入口前分别加装电磁流量计,以便控制和调节冷、热媒的流量;在换热器管程两端安装差压变送器的引压管,以便测得管程进、出口两端的压差。实验时,管程及壳程介质均为水。实验过程中控制管程进口温度为18.5℃,壳程进口温度为56℃。转子组合式强化传热装置的工作原理是运行时,转子在管内介质的冲击下快速旋转,使得介质由层流转化为以螺旋运动为主的复杂流动
2、。这种流动有利于增强管内介质的湍流程度,增加介质内部的热交换,达到强化传热、提高传热效率的目的。转子的旋转运动能够彻底刮擦传热管内壁污垢,并且对结垢具有明显的预防作用。因而,转子具有较强的强化传热与自清洁的双重效果。本文采用的有阶梯和无阶梯螺旋叶片转子如图2所示,其中转子的导程为150mm,外径为22mm。2数据处理2.1传热计算当换热管内外的冷热流体流动达到稳定状态时,管外热水的放热量及管内冷水的吸热量可分别表示为式(1)~(2)。Qo=mocp,o(To,in-To,out)(1Qi=micp,i(Ti,out-Ti,in)(2式(1)~(2)中,mo、mi分别为热水及冷水的质量流量
3、;cp,o、cp,i分别为热水及冷水的定压比热容;To,inTi,in分别为热水及冷水的入口温度;To,out、Ti,out分别为热水及冷水的出口温度。进行数据处理时,本实验采用冷热流体的平均换热量Qave作为换热过程的传热量10。2.2阻力计算实验时,Δp可由压差计测量得到,换热管管程的阻力系数f可由式(8)得到。2.3实验不确定度实验结果的不确定度可由式(9)得到。Δφφ=∑ni=(1lnφx)i2(Δxi)槡2(9)式(9)中,φ为实验中的导出变量,xi为实验过程中的被测量。在实验雷诺数范围内,压降的不确定度为0.4%~0.8%,温度的不确定度为0.7%~1.1%,管程努塞尔数
4、的不确定度为2.1%~3.5%,阻力系数的不确定度为1.3%~4.2%。3结果与讨论3.1光管验证为了验证实验装置及测量方法的可靠性,首先进行了光管的传热和阻力实验。并将实验所得到的Nu以及f分别与Gnielinski经验公式12和Filonen-ko经验公式13进行比较,比较结果如图3所示。3.2传热对比结果与分析由于对流换热系数是对流换热过程的主要影响因素,衡量对流换热系数的大小取决于无量纲努赛尔数,所以努赛尔数是对流换热特性的主要标志,也是强化传热的考察重点。有无阶梯螺旋叶片转子的努塞尔数对比结果如图4所示。从图4中可以看出,在本文研究的雷诺数范围内,内置转子换热管管内的努塞尔数明
5、显高于光管的努塞尔数,提高幅度约在95.5%~125.9%,多个转子的共同作用有效地提高了管内边界层流体的径向速度及切向速度,增强了换热过程,提高了换热速率,从而说明了流体被较充分的混合,强化传热效果得到了明显的增强。同时,内置阶梯型螺旋叶片转子换热管管内的努塞尔数较无阶梯的螺旋叶片转子高出了7.8%~13.1%,由此可以证实,阶梯可以增强螺旋叶片转子的强化传热效果。主要原因是阶梯的存在增加了流体的湍动程度,同时增强了管壁流体与中心流体间的径向混合。3.3阻力对比结果与分析图5所示的是有无阶梯螺旋叶片转子的阻力系数对比结果,从图5中可以看出,在本文研究的雷诺数范围内,与光管相比,内置转子
6、后换热管内的阻力系数要高出71.9%~135.8%。换热管内置转子后压降大幅增加的原因,一方面是由于换热管内流体在安装螺旋叶片转子后产生旋转流动,从而使得流程较管长有一定增加;另一方面,部分压降用于产生转子转动的驱动力,从而阻力系数增大。而图5中所示的阻力系数则是综合了上述两方面的影响的总体效果,因此较光管阻力系数有一定的增加。同时,与无阶梯的螺旋叶片转子相比,内置阶梯型螺旋叶片转子换热管内的阻力系数要高出24.1%~33.8%。3.4综合性能评价鉴于本文研究的转子组合式强化传热技术的主要应用领域,采用工程中广泛应用的PEC准则对其综合性能进行评价。fr分别为内置转子换热管的努塞尔数、阻
7、力系数,Nu0、f0分别为光管(或经验公式)的努塞尔数、阻力系数。只有性能评价因子PEC大于1,转子才具有强化传热的作用。有无阶梯螺旋叶片转子的PEC值随雷诺数的变化趋势如图6所示。从图6可以看出,转子的PEC值随雷诺数的增大而降低,在实验雷诺数范围内,两种转子的PEC值均大于1,从而验证了转子能够大大增强换热管的传热过程。此外,由于在相同雷诺数时,阶梯型螺旋叶片转子的PEC值明显大于无阶梯的螺旋叶片转子,从而说明了阶梯型螺旋叶片转
