高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能.pdf

华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第36卷 第11期Journal of South China U niversity of TechnologyVol.36No.112008年11月(N atural Science Edition)N ovem ber2008文章编号:10002565X(2008)1120017205 收稿日期:20072112013 基金项目:广东省科技攻关项目(2004B10201008)作者简介:高学农(19692),男,博士,副教授,主要从事传热强化和节能研究.E2mail:高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能3高学农 邹华春 王端阳 陆应生(华南理工大学 传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东 广州510640)摘 要:以水为介质,研究了不同截面短长轴比(B/A=01270147)和扭曲比(即导程与直径比,S/de=1711950162)的高扭曲比螺旋扁管的管内传热和流阻性能.实验结果表明:高扭曲比螺旋扁管的管内努塞尔数和阻力系数均随B/A值和S/de值的增大而减小,但随B/A值的增加而减小得更快,B/A值对高扭曲比螺旋扁管的管内传热与流阻性能影响更大;在相同雷诺数和普朗特数下,高扭曲比螺旋扁管管内的努塞尔数为光滑管的113215倍;阻力系数为光滑管的112115倍.文中还通过多元线性回归法对实验数据进行了分析,提出了高扭曲比螺旋扁管管内努塞尔数和阻力系数的准数方程式,其最大误差分别是12%和6%,从而为该类型螺旋扁管换热器的工程设计提供了依据.关键词:螺旋扁管;传热强化;流阻;扭曲比中图分类号:TK124;TQ021.3 文献标识码:A1984年瑞典Allares公司成功设计制造了第一台工业应用的螺旋扁管换热器,后经美国Brown2Fintube公司改进,螺旋扁管换热器便广泛应用于化学、石油、造纸、电力、钢铁矿物质处理等行业1.与传统的管壳式换热器相比,螺旋扁管换热器具有压降小、传热效率高、不易结垢、易清洗、无折流板、无振动、成本低等优点2.螺旋扁管的结构特点是管子换热段的任一截面都为一扁圆.一般认为流体在管内周期性的螺旋流动可以使流体冲刷壁面,减薄边界层,同时引起流体的二次流动,促进流体的径向混合,从而加剧流体的湍流.从20世纪80年代起,俄罗斯的一些学者就开展了系列的研究,主要侧重于研究流体在螺旋扁管管束中各管相互支撑形成的通道内流动的特征、传热传质性能及流动阻力等327.近年来,国内也开始对螺旋扁管的传热性能和机理进行研究,但大多是通过数值模拟方式进行,少量实验研究主要集中在管内低雷诺数(Re)和短长轴比B/A 015、扭曲比S/de12的情况,且实验所采用的螺旋扁管参数种类也较少,因而所得到的传热与流阻关联式具有较大的局限性829.文献10 只给出了以空气为介质、扭曲比S/de为615的螺旋扁管内传热关联式.另有学者对较低雷诺数条件下扭曲比S/de在612之间的螺旋扁管换热器进行了实验研究,提出了管内的传热和流阻的关联式11213.对于高扭曲比的螺旋扁管,张杏祥等14 采用数值模拟计算了扭曲比S/de最高为26143时螺旋扁管换热器的传热系数.目前尚未见有关高扭曲比螺旋扁管传热与流阻性能研究的报道.本文以水为介质,研究了9种不同结构参数(B/A=01270147,S/de=1711950162)的高扭曲比螺旋扁管管内传热性能和流阻性能,并与光滑管数据进行对比,提出了针对不同结构参数螺旋扁管管内传热与流阻的实验数据关联式.1 实验装置及方法1.1 实验系统实验系统主要由试验段、冷水循环系统、热水循环系统、数据采集系统等组成,实验流程如图1所示.图1 实验流程简图Fig.1Schematic diagram of experimental system1 精密温度控制仪;2 电加热器;3 水箱;4 阀门;5 离心泵;6 玻璃转子流量计;7U型压差计;8 数据采集仪;9 计算机;10 试验段 管外流体为热水,在热水箱内经电加热器加热到一定温度后,经离心泵泵送至试验段螺旋扁管与套管间的环隙中,与管内冷水换热后送回热水箱;管内流体为冷水,在冷水箱中由离心泵泵送到试验段与套管环隙中的热水换热,再经过冷却塔冷却后回到冷水箱.在各个离心泵的出口处都设置了一个回路,通过阀门来控制管外和管内流体流量.管内和管外的水流量由玻璃转子流量计测量.管内和管外流体的压降由U型压差计测量.水箱内水温通过精密温度控制仪控制,在图1中的“”点位置布置了14对铜-康铜热电偶.温度由连接计算机的HP Agi2lent 34970A型数据采集仪采集,通过计算机记录数据,设置记录频率为每隔10 s采样1次,取2min内的平均值.实验中首先保持管外热水流量、进口热水的温度和管内流体入口温度不变,依次改变冷水流量,考察管内冷水流量的变化对管内传热性能及流阻性能的影响;然后再固定管内冷水流量及管外进口热水温度不变,依次改变管外热水流量,考察管外热水流量的变化对管内传热性能及流阻性能的影响.1.2 高扭曲比螺旋扁管的结构参数实验使用套管换热器的壳体尺寸为 402mm.实验传热管共10根,其中1根是规格为 8#7#6#5#4#3#2#1#.由换热管的结构参数可知,9#、8#、7#管的B/A值最小,6#、5#、4#管的B/A值次之,3#、2#、1#管的B/A值最大.可见,管内f值均随B/A值和S/de值的增大而减小,但是,f值随B/A值的增大而减小得更快,因而B/A值是影响高扭曲比螺旋扁管管内压降的主要因素.不同Re下各种结构参数的高扭曲比螺旋扁管与光滑管管内阻力系数之比(f/fs)如图5所示.图5 各管阻力系数比随Re的变化Fig.5Ratio of friction factors vary with Reynolds numbers indifferent tested tubes 由图5可见,9#螺旋扁管(B/A=0127,S/de=25130)管内阻力系数最大,是光滑管的112115倍.随着Re的增大,不同结构参数的螺旋扁管与光滑管管内阻力系数比f/fs逐渐减小,当Re增大到12000时,减小的趋势开始缓和.3.3 管内强化传热性能的评价对于高扭曲比螺旋扁管,其传热强化的评判均与具有相同Re和流体物性的光滑管比较.强化传热评判标准采用相同泵功耗条件下的强化性能,按式(9)定义15:=NuN usffs13(9)不同结构高扭曲比螺旋扁管管内传热强化效率随Re的变化曲线如图6所示.图6 各管强化传热效率随Re的变化Fig.6Heat transfer enhancement efficiency varywith Reynoldsnumbers in different tested tubes 由图6可知,在Re=800020000时,不同结构参数螺旋扁管相对光滑管的管内强化传热效率 都随Re的增大而减小,当Re增大到11000左右时,减小的趋势开始缓和,说明高扭曲比螺旋扁管比较适合较低雷诺数(Re 11000)的时候,强化传热效率比较低.此外,从图中还可以看出,短长轴比B/A最大的一组螺旋扁管(1#、2#、3#,B/A=0147)的强化传热效率非常低,在Re=8 00020 000时,仅为11011118,说明减小短长轴比B/A有利于提高螺旋扁管的强化传热效率.对于短长轴比B/A相同的每组螺旋扁管,扭曲比S/de较小的螺旋扁管管内强化传热效率较高,说明减小扭曲比S/de有利于提高螺旋扁管的强化传热效率.可见在Re=8 00020 000,B/A=01270147,S/de=1711950112时,在压降允许的情况下,减小B/A和S/de有利于提高螺旋扁管在相同泵功耗条件下的强化传热性能.考虑到Pr数为反映物性参数的准数,不会因为换热管参数改变而发生改变,且由于本实验的管壳02华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第36卷程流体温度差较大,因此参照Sieder2Tate公式中Pr指数值,采用多元线性回归的方法对实验数据进行拟合得到以下准则方程式:N u=01034Re01784Pr0.333BA-0.590Sde-0.165(10)f=4.572Re-0.521BA0.334Sde-0.082(11)式(10)、(11)的适用范围为Re=500020000,Pr=610715.与实验数据相比,式(10)最大误差为12%,式(11)最大误差为6%.4 结语实验结果表明,高扭曲比螺旋扁管管内具有较好的强化传热性能,在实验范围内,S/de值越小、B/A值越小强化传热性能越好,同时压降也越大.相对于S/de,短长轴比B/A对高扭曲比螺旋扁管管内强化传热和压降的影响更大.为降低泵功率而又不降低高扭曲比螺旋扁管管内强化传热效率,应采用小S/de、较大B/A.在压降允许的情况下,减小B/A和S/de有利于提高螺旋扁管在相同泵功耗条件下的强化传热性能.参考文献:1 崔海亭,彭培英.强化传热新技术及其应用M.北京:化学工业出版社,2006:1712180.2 鞠在堂.螺旋扁管换热器J.化工装备技术,2003,24(5):19.Ju Zai2tang.Twisted tube heat exchangers J.ChemicalEquipment Technology,2003,24(5):19.3Vilemas YV,Dzyubenko B V,SakalauskasA B.Investiga2tion of flow structure in heat exchangerwith helically twis2ted tubes J.Power Engineering,1980,18(4):11621234Dzyubenko B V,SegalM D,AshmantasL V A,et al.Un2steady2state mixing of the heat2transportmedium in a heatexchanger with twisted tubes J.Power Engineering,1983,21(3)1162124.5Dzyubenko B V,Ashmantas L A,Segal M D,et al.Un2steady heat and mass transfer in a heat exchanger withtwisted tubes J.Power Engineering,1985,23(4):1022110.6Dzyubenko B V,Dreitser GA.Heat transfer and fluid fric2tion in bundles of t wisted tubes J.Journal of Engineer2ing Physics,1986,50(6):6112618.7Dzyubenko B V.Influence of flow twisting on convectiveheat transfer in banks of twisted tubes J.Heat TransferResearch,2005,36(6):4492459.8 杨荔,李志信.扭曲椭圆管层流换热的数值研究J.工程力学,2003,20(5):1442148.YangLi,Li Zhi2xin.Numerical analysis of laminar flowand heat transfer in twisted elliptic tubes J.Engineer2ingMechanics,2003,20(5):1442148.9 孟继安,李志信,过增元,等.螺旋扭曲椭圆管层流换热与流阻特性模拟分析J.工程热物理学报,2002,23(6):1172120.Meng Ji2an,Li Zhi2xin,Guo Zeng2yuan,et al.Simulationand analysis on laminar flow and heat transfer in twistedellipse2tube J.Journal of Engineering Thermophysics,2002,23(6):1172120.10 顾维藻,神家锐,马重芳,等.强化传热M北京:北京出版社,1990:9215,1392143.11 思勤,夏清,梁龙虎,等.螺旋扁管换热器传热与阻力性能J.化工学报,1995,46(5):6012608.Si Qin,Xia Qing,Liang Long2hu,et al.Investigation ofheat transfer and flow resistance on twisted tube heat ex2changer J.Journalof Chemical Industry and Engineer2ing,1995,46(5):6012608.12 黄德斌,邓先和,王扬君,等.螺旋椭圆扁管强化传热研究J.石油化工设备,2003,32(3):123.HuangDe2bin,Deng Xian2he,Wang Yang2jun,et al.Theexperiment research of heat exchanger of spiral ellipticalflat tube J.Petro2Chemical Equipment,2003,32(3):123.13 张杏祥,魏国红,桑芝富.螺旋扭曲扁管换热器传热与流阻性能试验研究J.化学工程.2007,35(2):17220.Zhang Xing2xiang,Wei Guo2hong,Sang Zhi2fu.Experi2mental research of heat transfer and flow friction proper2ties in twisted tube heat exchanger J.Chemical Engi2neering,2007,35(2):17220.14 张杏祥,桑芝富.扭曲扁管管内流动与传热的三维数值研究J.南京工业大学学报,2005,27(4):71275.Zhang Xing2xiang,Sang Zhi2fu.Three di mension numeri2cal research on flow and heat transfer characteristics int wisted oval tube J.Journal of Nanjing University ofTechnology,2005,27(4):71275.15梁龙虎.螺旋扁管换热器的性能及工业应用研究J.炼油设计,2001,31(8):28233.Liang Long2hu.Characteristics of spiral2flat tube heatexchanger and its commercial application J.PetroleumRefinery Engineering,2001,31(8):28233.(下转第26页)12 第11期高学农 等:高扭曲比螺旋扁管的管内传热及流阻性能Elim ination of Oxygen from Hydrogen with Catalysis of PalladiumZeng L i2dingZhu Dong2shengW ang Chun2huaX ie Zhen(KeyLaboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of theMinistry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract:Palladium catalystswith different contents of palladium supported by activated Al2O3were prepeared bymeans of ultrasonic impregnation to eliminate trace oxygen from hydrogen.The effects of the palladium content andthe H2space velocity on the O2content after the reaction were then discussed.Moreover,the reaction region on thecatalyst bed was detected bymeans of infrared ther mal imaging.The results show that the conversion ofO2decrea2ses with the increase ofH2space velocity,and that two inflection pointsoccur at the H2space velocitiesof 1012s-1and 1517 s-1,respectively,which become more acuate at a higher palladium content.It is thus concluded that theinternal diffusion is the controlling step of the catalytic reaction,that the reaction is not sensititive to the palladiumcontentmore than 0120%,and that the catalytic reaction becomesmore effective in the conditionsof low palladiumcontent,small catalyst particle size and large catalyst dosage.Key words:palladium catalyst;hydrogen;oxygen;space velocity;diffusion(上接第21页)Heat Transfer and Flow Resistance Properties in TwistedOblate Tube with Large Twist RatioGao Xue2nongZou Hua2chunW ang Duan2yangLu Ying2sheng(KeyLaboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of theMinistry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract:Waterwas used as a workingmedium to investigate the internal heat transfer and flow resistance proper2ties of the twisted tube with large twist ratio in the conditions of variable short2long diameter ratio(B/A=01270147)and twist ratio(the lead2to2diameter ratio,S/de=1711950162).Experi mental results indicate that theB/Avalue greatly affects the internalNusselt number and friction factor of the t wisted tube because the parametersdecrease with the increase ofB/AandS/devalues,more rapidlywith the for mer,and that the Nusselt number andfriction factor of the twisted oblate tube increase respectively by 30%150%and 20%50%,as compared withthose of the s mooth tube at the same Reynolds number and Prandtl number.Moreover,the for mulae of Nusseltnumber and friction factor of the twisted oblate tube with large twist ratio are both deduced based on the multiplelinear regression of experimental data,themaxi mum errorsofwhich being respectively 12%and 6%.The proposedfor mulae lay a foundation for the design of heat exchangerwith twisted oblate tubes.Key words:t wisted oblate tube;heat transfer enhancement;flow resistance;t wist ratio62华 南 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第36卷