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广西大学硕士学位论文 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 摘要 本文介绍了国内外强化传热技术的研究进展及现状分析。同时介 绍了换热管内自旋弹簧的结构及其自动除垢防垢和强化传热的原理。 本实验研究1 8 种内置自旋弹簧换热管的转动特性，阻力性能和九 种自旋弹簧的传热性能。试验模型是在湍流范围内，常温水冷却饱和 蒸汽的试验。试验研究结果表明，自旋弹簧的转速与管内流体流速近 似成线性关系，阻力性能与传热性能除与流体的流型有关，还与弹簧 的结构参数有关。本文采用m a t i a b 非线性回归分析与w is o n 图解法 修正相结合的数据处理方法，总结出阻力与传热的一般关联式。在相 同的r e 下，换热管内置自旋弹簧时的总传热系数k 明显比空管的高， k 的提高率在3 1 7 4 2 0 5 之间，阻力系数增加了1 5 2 4 4 6 倍， 自旋弹簧起到了强化传热的作用。热工性能评价因子由为0 8 4 1 5 1 ， 当雷诺数1 r e 1 6 10 4 时，1 o 由1 5 1 ；当1 6 1 0 r e 10 5 时，只 有t 1 2 7 3 0 一1 2 、t 9 4 3 0 一1 0 、t 1 5 8 2 5 0 7 和t 1 4 2 0 _ 1 2 四根弹簧的 综合热工性能较好，弹簧t 1 2 7 - 3 0 - 1 2 的综合热工性能最好，由值在1 1 1 3 4 。试验表明换热管中置入自旋弹簧后强化传热综合效果是比较好 的，雷诺数在1 0 4 r e 1 ，6 1 0 之间更好一些。 关键词：自旋弹簧转动特性强化传热关联式 广魏大学硕士学往论文内置自旋弹簧换热管_ 作特性实验珂f 究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ew o r k i n g c h a r a c t e r l s t l c so fb q l 睡l ns e l f r 0 谢l n gs p r l n g h e a te x c h a n g e r a 8 s 下r a c t t h i sp 神盯i n t r o d u c e sm e 弘黜e n tr e 辩a 托hs i t i | a d o ni ne n h a n c n gb e a t f e f 趣站h n o l o 垂e so fb e a l 龆c h a l l g e t a t 墩es a m e 斑髓c t h e n 确船。匹o no f 酞啦ds 断n g e l e m e i l ta n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ei na u t o m a t i c a l l y 他m o v j i i g 锄dp r e v e n 幽gf o m i “ga n d e 斑l a n c i 玎gh 髓l r 皴s f 跨a f e 证函) d t 辩醯。 f 酬y ，e i g h t e e ns p d n g s 耐t ld i 凰髓mc o n s 帅t i o n 煳e i e fa 心d c g i 期e dt o t h e c x 捧。f 证v e s t 噜藤n gt 醅拯垃雌耐b 黼赫镳蠢o w 巍峨雌捌s t l c s 醴氧e 越e x c h 熊g 娌 n l b cw i m 咖s p r i l l gi 1 1 | 船c e da n di l i n es 面n g s t hd i 锺如mc o n m u c 6 p a r a n e t e r 舭 玉s l g 砖蠢协l l l ce 冲蘸搬瓣f 瓠i 撕s 疽鲻拜g 拉融细n s l 蠢穗越站矧瓣c s 醴h e 激权蠢黼辨 n l b e 埘t hr o 铆s p d n gi l l s 瞰e d t h er 髂u 船o f 曲e 麒p 翻m 煳姆s l l o w 毫h a lm er e l a t i o nb e “忱曲 kv e l 。c 姑o f 是a w 越堪凼e 蛾哦嫩采s p 擘龉如e 鼯撬哆畦n gi sa p 洋瑚删n gl 纽e 载柏e n o wa n db e a lt f a n 8 f hd l a r a c t c r i s t i c so fh e a l 尊x c h a n g e rt u b eh a 、懈r e l a 畦m sw i t ht h e c o n s 扭哪垃o np a 嘲c t 科o f 曲e 峨a r y 坷蛐臻b 部i 曲sw i m 堞s 缸煳p a t t e 眦a n dt b 曲am e 盟 t h 撤粼e 嗽m 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n 亡堕查堂堕主堂堡堡塞 堕墼鱼塑翌篁垫垫笪三笪矍堡墨丝! ! 型 符号说明 含义 单位 截面积 m 给热系数关联式系数 弹簧线径 m 当量直径 m 弹簧外径 m 钢管内径 m 弹簧螺距 m 换热管传热面积 m 。 重力加速度 m s 2 压差m m h g 能量损失jn曙 局部能量损失j ，i ( g 总传热系数w ( i n 2 ) 测量p i 时，两测点的轴向距离 m 管件与阀门等的当量长度 m u 形管压差计两测点之问各管件 和阀门的当量长度之和 换热管长度( 含上下法兰) m 换热管的长度( 不含上下法兰) m 弹簧转速 转，分 努塞尔特准数 r e 的指数 普兰特准数 阻力降 p a 号 l a c。如d瞰。f。h h ”k b 乳 ，l。：墓，a： 堕盔兰堡主堂垡堡塞 堕霎鱼塑登篁垫垫笪王生壁丝圭堕! 堕三 符号含义 q 换热器的热负荷 r饱和蒸汽的冷凝潜热 r污垢热阻和管壁热阻 r e雷诺数 t 温度 t i l l对数平均温度差 v流体的流速 w流体的体积流量 w h 饱和蒸汽的冷凝速率 w 。 冷流体的质量流量 d密度 摩擦阻力系数 。 导热系数 粘度 6 换热管壁厚 比热 a给热系数 e管壁的绝对料糙度 2 单位 w j 他g m 2 ，w m ，s m ，h k g ，s k g ，s k 耐 q 屯 。 呶时 叭胁 m 州 广西大学硕士学位论文 内置自旋弹簧换熟管工作特性实验研究 第一章绪论 1 1 强化传热的意义、目的及途径 在现代科学技术领域里，无论动力、冶金、石油、化土、材科、制冷等工程，还是 空间、电子、核能等高技术，都不可避免地涉及到加热、冷却和热量传递的问韪。在能 源的开发，利用中，热能传递现象更为普遍。 随着社会的发展和进步，全球性的能源紧张日益明显，如何合理地组织换热过程， 以充分利用有限的能源并尽量回收余热就更成为了当代传热学研究的一个主要方向。如 果说传热学的目的是研究热传播速率的话，那么强化传热研究的主要任务则是改善、提 高热传递的速率；以达到用最经济的设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保 护高温部件的安全运行，或是用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。近几十年来， 国内外对强化传热进行了很多的研究和探讨，力图从理论上解释各种强化传热的机理， 从大量的实验资料中总结其规律，以指导实际生产应用。 强化传热技术是在1 9 6 0 年后逐渐发展起来的一种新技术，备受热工界的重视，此 间各国学者对此进行了大量的开发研究工作，对于租糙表面法、插入螺旋元件法、加入 扰动流体法，采用换热面振动法和其它技术进行了研究，其中不少成果已在工业上应用， 至今强化传热已被学术界誉为第三代传热技术。如何更有效的利用能源和资金，成为强 化传热技术目前的主要发展方向，另外应用和推广强化传热技术也是今后的主要任务之 一。所谓换热设备传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传热 达到最多。不同的工艺对强化传热具体要求也不相同，应用强化传热可以实现以下目的： l 、减少设计传热面积以减少换热器的体积和质量： 2 、提高现有换热器的换热能力； 3 ，使换热器在较低的温差下工作； 4 、减小换热器阻力以减小换热器的动力消耗。 上述目的和要求相互制约，要同时达到这些目的是不可能的。因此，在采取强化传 热技术前，必须要明确要达到的目的和任务，以及为达到这一目的所能提供的现有条件， 然后通过选择比较，才能确定一种舍用的强化传热技术【1 】。 研究各种换热过程的强化问题来设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程 广西大学硕士学伊论文 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务，因而研究和开发 强化传热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。 关于强化传热研究，可从热量传递的三种方式入手，但研究最多和应用较广的是对 流传热的强化研究。按照b e 昭l s 的分类方法，对流换热的强化方法可以概括为无源技 术( p s i v et e c l l l l o l o 舒) 和有源技术( a c n v e 做h n o l o g y ) 两种，其中有源强化技术， 也被称为主动式强化技术，这些技术方法需要提供额外的机械动力或电磁力，它包括以 下五种：机械搅动，表面振动，流体振动，电磁场，喷射。而无源强化技术，也被称为 被动强化技术，这种方法除了泵功率以外，不需要任何额外的动力，它包括以下八种： 表面处理，粗糙表面，扩展表面，扰流元件，涡流发生器，螺旋管，添加物和射流冲击 等。此外，还有所谓的复合强化技术，也就是两种或两种以上的强化措施同时应用，以 期获得更大的强化传热效果。自旋弹簧就是扰流元件的一种。 1 2 国内外强化传热技术研究现状 由于科学技术的飞速发展和能源的严重短缺，不断向强化传热提出了新的要求，因 此强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界各主要工业国都 对此进行大量的研究开发工作，我国在强化传热也在重点投入。 ( 1 ) 横纹槽管是一种外表面有一圈又一圈的有序环形凹槽，而内表面是一圈又一 圈的有序环形凸肋组成的强化传热管，流体流经这些凹槽或凸肋时回引起附加旋涡，造 成边界层的分离而减薄其厚度，从而强化了传热，在有相变的情况下，由于表面张力的 作用也有强化传热的效果。 ( 2 ) 缩放管州1 是由依次交替收缩段和扩张段组成的，其目的是使流体处于纵向压力 梯度不断的往复变化，从而达到强化传热的目的。 ( 3 ) 螺旋槽管”1 3 是表面的凹槽与管子的轴线成一定的倾斜角，流体流过时除了有 横纹管的涡旋外，还会出现使流体流动阻力增大的螺旋流，所以螺旋槽管的强化性能稍 微差一些，阻力降也大一点。 ( 4 ) 内翅片管”1 也是一种常见的管程强化传热管，它的特点是可以在不过多增加压力 降的情况下强化管内传热，但是这种管型的加工制造技术还没有完全解决，因而影响了 其推广。 ( 5 ) 异形管l ”也是在光滑管上扎制出圆弧形凹槽的强化传热管，它适用于低雷诺数下 广西大学硕七学位论文 内置自旋弹簧抉热管工作特性实验研究 高粘度流体的流动有比较好的传热效果，一般比光滑管高5 0 9 6 一1 2 0 ( 6 ) 波纹管”1 是由依次交管的收缩段和扩张段组成的流道，由普通钢管作毛坯，经过 简单的滚压加工而成，其经济效益与横纹槽管类似。具有压降小，传热面积增大，还可 有效地防止管束振动之优点。 ( 7 ) 扭曲管【1 i - 1 5 l 扭曲管是将管程与壳程强化技术合二为一的新技术。它将传统的管 间支撑物折流板、折流杆和空心环都去除。扭曲管以变向椭圆管表面结构强化传热， 以大导程的螺旋变向自支承取代传统的隔板支撑结构，防止隔板与管振动磨损，延长了 预热器的寿命。图8 、图9 为扭曲管和扭曲管束的结构。采用扭曲管换热器比常规管壳 式换热器可节省传热面积2 6 5 5 1 ，节省费用2 0 9 6 3 0 9 6 。扭曲管换热器可应用于绝大 多数常规管壳式换热器所应用场合。 ( 8 ) 低肋管嘲增加传热面积是最直接的强化传热方法。低肋管主要是以表面翅片增 加传热面积，提高单相传热系数，它的理论基础是边界层分离和边界层切割。一般适用 于强化管外的单相传热，在管外有相变的情况下，也有较好的强化传热效果。 ( 9 ) 螺旋扁掣叼是由圆管轧制的具有一定导程的强化传热管。管子在壳内紧密排列， 壳程流体受离心力的作用周期性改变流速和流动方向，从而强化了传热。螺旋扁管是瑞 士a 1 1 a r e s 公司首先提出、美国b r o 公司经过改进的一种换热管。由于管子的独特结 构，流体在管内处于螺旋流动，促使湍流程度。粱龙虎经实验研究，表明螺管管内膜传热 系数通常比普通圆管大幅度提高，在低雷诺数时最为明显，达2 3 倍：随着雷诺数的增大， 通常也可提高传热系数5 0 9 6 以上。 ( 10 ) 针翅管 1 研华南理工大学化机所与原中石化北京设计院合作研制的针翅管使用 效果很好，已获国内专利。他们研制的针翅是采用焊接方法焊在基管上的，加工有些麻烦， 对针翅的大小、密度也有诸多限制。但江苏某厂采用特殊的车削技术，在管子上直接机 加工出整针针翅( 图4 ) ，可消除针翅与基管的焊接接触热阻，且针翅小，而密，传热面扩大 非常多：针翅短且呈螺旋状弯曲，管外径小，管束体积并不大，针翅直径约6 【i i m ，翅距只有 2 岫翅长为6 1 5 咖。为国际创新。针翅管管束既扩大了传热面，又可造成流体的强烈扰 动，极大地强化传热，而且压降不大，并可籍针翅互相支撑而取消折流支承板( 杆) 大大 节省支承板材料。 ( 1 1 ) 锯齿翅片1 9 j 锯齿翅片是钎焊在两平行平板之间的平行于气流、且沿流动力向连 续交替地交错排列的薄片式翅片簇，由锯齿翅片构成的子通道横截面的形状可以是矩形 的也可以是三角形的；锯齿翅片的表面可以是穿孔的，也可以是不穿孔。锯齿翅片强 广西大学硕士学位论文内置白旋弹簧换热管工作特性实验研究 化传热一是由于翅片连续交错因而使流动边界层的发展屡遭中断；二是气流在上游翅片 产生的尾涡对下游翅片的传热具有激励作用 ( 12 ) 整国形折流板口”慨是其中的一种。这种折流板不是在折流板上开缺口，而是 在板上钻大圆孔，这既让管子能够穿过，又留出空隙使壳程流体通过。这种结构死区少。 压降低，且在圆环型的间隙中会出现射流，提高湍流度。但这种结构必须增大管问距或 留下一些不向管区，于是就增加了壳体直径。有的整圆形折流板还在大孔中间加一些小 孔，这样有效地改进了整圆形折流板：但这种结构的折流板在管孔与管子之间容易结垢， 并导致腐蚀。 ( 1 3 ) 异形孔整圆形折流板是在整圆形折流板上开出矩形，梅花形等各种形状的开口。 这两种结构既能支撑管子，又能使介质顺利流过折流板。它们均具有压力降小、传热性 能好、防止管束振动等优点：但其加工制造比较困难。 针对异形孔折流板的缺点，工业中又出现了网状整圆形折流板。其制造方法是先按 普通折流板制造，然后将折流板上的横排圆孔阻4 个圆孔为一组，将管桥铣通。这样就 不需要专用的冲压模具，加工简单，又具有压力降小，传热性能好等优点。这种新型折 流板是由德国的g r i 煳公司在1 9 9 1 年推出的，其传热性能在中、低粘度范围内效果明 显优于传统的单弓形折流板换热器。 但是板式支承结构固有的缺陷仍然没有得到根本的改变，于是出现了纵流壳程换热 器，流体在壳程中沿平行于列管中心线方向流动可克服上述缺点。最早出现的纵流壳程 换热器当首推七十年代美国菲利蒲公司的折流杆换热器。在以后二十几年里，许多国家 相继开发了多种纵流壳程换热器。如：西德g r i 蛳a 公司开发的整圆贯通折流板换热器 3 ，国内华南理工大学开发的空心环节结构换热器幽1 。这些新型结构换热器都有一个 共同的特点，即流体流向均沿平行于管束中心线方向流动，通过改变管束闻支承元件来 强化传热。 1 3 国内外内插件强化传热概述 随着第二代传热技术的发展，迎来了2 l 世纪第三代传热技术的开发和发展。无功 强化或称被动强化( n 咖a c t i v e ) 技术无需外部功耗，在工业中应用较广。在无功强化技术 中，管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点：不改变传热面积的形状：一般插入 物加工简单，特别适用于现有设备改造，不需要更换原有管壳式换热器。因此管内插入 6 广两大学硕士学位论文 内置白旋弹簧拽热管_ 作特性实验研究 物强化传热技术特别是在老厂挖潜改造中得到广泛应用。国外从1 8 9 6 年就开始研究和 应用管内插入物强化传热。 1 9 2 1 年。r o y d s 认识到管内湍流促进器强化传热的作用。开发较早的有固定于管内 的圆环形或圆盘形薄片，螺旋线以及扭带螺旋片，流线形内插物等( 1 9 5 8 年k o c h ) 。扭 带的工业应用已有五十多年的历史，许多研究者用不同扭率的扭带，对各种雷诺数范围 的不同工作流体进行了试验。 1 9 7 4 年m e g e r l i n ，m u r p h y 和b e r g l e s 试图用金属网和螺旋刷插入管内强化湍流传 热，他们虽然能使传热膜系数分别提高到光管的9 倍和5 倍，但也导致极高的压降，只 能在需要高热流率的特定场合下使用。 b l a t t 和 l i 对r l l ，n a o y u d d i n 和舶r f i 对空气一水混合物做了包括不同流态区 的扭带内插物的试验，得出了传热膜系数增加8 0 一1 0 0 。 以往关于插入物的研究大多集中在湍流区，然而层流和过渡区的传热现象在化学 工业和食品工业中却属常见。2 0 世纪1 0 年代末以来，研究工作逐渐扩展到层流和过渡 区，除了对已有插入物进行更为深入的研究之外，还出现了一些比较适合于层流传热特 点的新型插入物，静态混合器就是其中一种。 静态混合器是一种传质设备，它特别适合于液一液混合。2 0 世纪7 0 年代以后，它 开始被用于强化管内传热，尤其是层流传热。这类混合器不同形式如k e n i c s 静态混合 器，k o c b 静态混合器等。 妇r n e r 和b e r 9 1 e s 使用扭带，内翅片管，k e n i c s 和k o c h 静态混合器来说，其传热 膜系数和摩擦因子提高了一个数量级，而k o c h 静态混合器则导致较大的压降。对于给 定的压力降，扭带和内翅片管可获得较大的传热膜系数增长率。 多种插入物类型中各种插入物强化传热的机理大致分为四种：形成旋转流；使中心 流体与管壁流体产生置换作用；分割流体，破坏边界层的发展；产生二次流。但上述几 种插入物大多只能适用于低黏度( p r 5 ) 的流体，并且缺少对高粘度流体强化传热的 实验数据，2 0 世纪8 0 年代初至9 0 年代，华南理工大学先后开发研制了交叉锯齿带，梯 形带等一系列置换形的内插物，以适用于高粘度流体的传热强化提供了新的技术方法。 另外，石油化工生产中，冷换设备普遍存在污垢沉积的问题，在线自动清洗是国外 2 0 世纪8 0 年代初发展起来的换热器除垢新技术，该技术已在法国e l f 公司所属的炼厂 使用，在美国，瑞典，日本等国也都相继推广应用。内插螺旋弹簧等强化和在线除垢技 术，起到了强化传热和防垢的综合作用我国湘潭大学已取得较大成功。有关插件强化 广西大学硕士学位论文 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 传热请参阅文献脚4 1 。 1 4 国内外内插件自旋弹簧强化传热研究现状 7 0 一8 0 年代就有人进行了研究，弹簧具有一定的强化传热效果，而且具有比其它管 内插入物引起的流体阻力小的优点。将这种弹簧插入物称为防垢一一强化器，以突出其 防垢和强化传热的双重作用，论文作者通过实验研究了传热性能、流阻和除垢性能与元 件几何参数之间的关系。弹簧套在并固定在钢线上，钢线两端连接着传动装置，在传动 装置的带动下弹簧产生往复运动，从而清除管壁面的污垢。 1 9 7 6 年b e r g l e s 试图用金属网和螺旋刷插入管内强化湍流传热，他们虽然能使传热膜 系数分别提高到光管的9 倍和5 倍，但也导致极高的压降，只能在需要高热流率的特定场 合下使用。 k ”等人用丝径d 为1 3 2 1 8 3 1 1 1 i n 的三种黄铜弹簧插入直径为1 2 2 姗的不 锈钢管内，组成d d = 0 1 0 8 0 1 5 和s ，o ；6 7 9 2 的粗糙管，以水作为传热介质获得的 最大换热强化比为2 3 倍【椰j 。 1 9 8 5 年u t l 8 删和r a i a r a o 研究了管内插入7 种不同尺寸螺旋线圈强化层流区加热 油的情况，结果表明：内插螺旋线圈强化层流区换热，换热系数可提高3 5 倍，而强化紊流 区换热时，换热系数只能提高3 0 5 0 嘣删。 肖宏亮采用移动弹簧作为一种在线防垢和强化传热技术，用c a c 0 3 饱和溶液模拟工 业加热过程，进行热态试验，以探讨弹簧的结构参数、加热表面温度、流体流速等变量 对流动阻力、管内传热系数、结垢性能的影响。在恒热流率流体速度：0 “一1 5 m ，s 的 情况下，比较光管与分别装置有9 种具有i f 交设计参数的移动弹簧插入物的传热管，发 现装有移动弹簧的传热管的抗垢性能和传热性能均优于光管p o l 。 董珊等人针对一种螺旋线圈插入物进行了试验研究，并就不同工作效应下的强化效 果进行了评价对比i ”j 。 张瑛等人采用镀锌刑丝绕成的螺旋线圈作为内插件，对不同物料进行了实验测试， 发现对不同流体介质( 相当于不同p r 数) 在使用同样结构元件的条件下得到不同的强 化传热效果，在m 5 c m c 水溶液中( p r 数约为水的3 倍) 强化传热效果远胜于水。对 o 5 c m c 水溶液，在h 为5 0 0 0 1 5 0 0 0 内，强化传热效果先是随r e 数增大而增大， 在r e 数为9 0 0 0 1 0 0 0 0 之间达到最大值，超过1 1 0 0 0 后则急剧下降。作者得出结论， 螺旋线圈对强化单相强制对流传热有一定的效果，给热系数为光管的1 3 3 4 4 0 嘲。 广两大学硕士学位论文内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 孟祥春，何世民和张永福等人分别就不同结构形式和参数的螺旋线圈内插物进行了 试验研究，均得到了一组实验关联式，其中孟祥春等人对试验用螺旋线圈结构参数依据 w e b b 提出的v g 型评价方法进行了筛选，得出了实验范围内的最佳元件，而张永福等 人则将试验结果应用于电站锅炉的空预器。和原型对比，结果表明排烟温度降低1 2 2 0 ，热风温度提高1 5 2 5 ，炉内燃烧工况改善，锅炉热效率有所提高，尤其是具有较 好的抗积灰性能。 1 9 9 4 年洛阳石化工程公司王勤获对固定式、旋转式、分段式3 种管内弹簧插入物在 线污垢清洗与强化传热技术进行分析和比较。指融对于中2 0 m m 内径的传热管子，较好 的清洗弹簧参数为：线径卜一2 m m ，螺距4 8 m m ，外径1 4 1 6 m m 。弹簧参数的选取 与流速等操作条件及所用材质有关，一般流速较高时，宣选用较粗线径的弹簧，以免产 生永久性变形和损坏；流速较低时，宜采用较细线径的弹簧，使其易于产生弹性振动。 预使弹簧产生连续转动，就需要流体对其麓加足够大的作用力，一般要求流速在o 6 m ，s 以上。流速增大，则除垢效率提高。另外，由于弹簧本身的转动，使其对流体的扰动不 像固定式弹簧那样剧烈。因此，在相同的流速和弹簧参数下，管程膜传热系数的增长幅 度要比固定式弹簧略低些，流体阻力也相应小些。在湍流条件下，管程膜传热系数能比 光管时提高1 0 9 i 以上【”。 孙中宁等人对管内插螺旋丝用水作为传热介质进行了流动传热及阻力特性试验，其 试验结沦是内插螺旋丝作为强化件确能使管内对流换热得以强化，在其实验范围内换热 系数增加1 5 2 8 倍，阻力系数增加4 1 5 倍，且流速不太高时效果较佳口5 1 。 1 9 9 6 年湘潭大学刘吉普与文美纯对管问螺旋弹簧强化传热进行了实验研究，通过对 壳程流体纵向冲刷型管壳式换热器的传热与流体阻力实验，分析了管问螺旋弹簧对传热 性能的影响。以螺旋弹簧作为螺纹槽管管问支撑物周7 根左旋螺纹槽管( 6 根2 5 2 5 钢管、1 根2 5 x1 5 铜管) 组装了一台管间距为3 2 咖、长l m 的实验设备。在设备的管 间插入6 根用直径1 2 l i m 钢丝绕制的、外径1 0 m m 的左旋螺旋弹簧，测量传热及流体阻 力参数。在螺纹槽管问插入左旋螺旋弹簧后，在r e = 1 5 0 0 _ - 2 5 0 0 0 范围内，n u 数比折流扳 换热器高2 5 、比折流杆换热器高1 蚴，阻力比折流杆换热器要小。当r e 相同时，n u 数 和数与螺旋弹簧的节距有关。螺旋弹簧节距增大潮u 数和数均出现减小的趋势 ”。 1 9 9 8 年强化制冷剂冷凝换热a 掣，a 1 等人口7 】研究了水平管内插入螺旋线圈强化 r 2 2 冷凝换热的情况，得出了n u 关联式，并与用扭带强化r - 2 2 冷凝换热结果进行了比较， 插入螺旋线圈的换热系数高于插入扭带的换热系数。 广西大学硕士学位论文 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 虽然学者对弹簧强化传热进行了一定的研究，但大部分局限于固定式强化传热的研 究，而且其试验范围有限，大多数学者没有总结出可供参考的给热系数关联式。对自旋式 弹簧强化传热目前研究的更少，还没有得出准确的结论。 1 5 本文研究方法及所做的工作 强化传热技术是一门新兴的边缘交叉学科，它们受操作参数、介质种类等约束，至 今尚未有可供工业设计使用的公式图表。 本文在查阅了大量前人的相关工作文献，并进行了大量实验，以期研究换热管通道 的工作特性和传热特性，得出弹簧强化传热的阻力及传热关系式，以供工业设计时参考。 本文主要的工作内容和方法如下： 一、在冷态试验装置中置入不同参数的弹簧，进行自选弹簧的转动特性及流体阻 力特性试验，分析弹簧的转动特性、管内置入内件后流体的阻力特性；在多种实验数据 下，比较不同参数对弹簧转动特性和阻力特性的影响，并得出流体阻力特性的关系式。 二、在热态试验装置“加热器”中置入不同参数的弹簧，进行传热试验研究，并 与空管时换热管的传热性能进行比较；分析不同参数对弹簧传热性能的影响。正确评价 弹簧的强化传热性能。评价标准为： ( 胁胁o ) p2 f ( ，矗) 3 三、根据威尔逊法及考虑壁温修正的威尔逊法，结合e x c e l 和m a t l a b 非线性回归 分析，编程计算给热系数关联式中的c 、p 值。从而得出空管及换热管内插入自旋弹簧 的给热系数关联式。并对已有研究结果进行比较和评价。所得结果可供工业设计时参考。 广两大学顶士学位论文 内置自旋弹簧换热管工作特性实验研究 第二章自旋弹簧工作原理及实验设备 2 1 自旋弹簧的制作 弹簧的材料采用线径不等的弹簧钢，先把弹簧丝插入小孔6 处固定，然后均匀紧密 地缠绕在钢芯1 上，然后取下弹簧，将其两端沿着轴线方向均匀拉伸至符合要求的螺距。 这样制得符合螺距要求的弹簧，再截取弹簧长度为3 0 0 0 m m ，并在弹簧试件一端留有6 0 m 的直线段，并把该直线段折至使之处于弹簧的轴线位置。弹簧试件通过该直线段与支承 连接并可绕着支承自由旋转。 制作示意图如图2 l 所示： l 铁芯2 一铁管3 一老虎钳4 钢丝5 一手柄卜小孔 图2 1 弹簧制作工具 f i g 2 - 1m t o o l so f m a l d n gs 呻n g 制作完弹簧试件后还要对它进行校直。在试验中弹簧试件要在换热管内转动， 因而其直线度是影响试验质量的关键。试件能够良好转动就对其有较高的直线度要 求。试件加工后的残余变形或不正确的储放都会使试件有一定程度的弯曲。如果不 经过校正就用来作试验，势必与管壁之间产生较大的摩擦，转动也可能是偏心的， 影响测得的数据精确度，甚至会导致试件无法转动。 2 2 自旋弹簧的连接 自旋弹簧通过支撑件( 如图2 2 所示) 固定于换热管的入口的中心处，使得自旋弹 簧在水流的冲击下，自动旋转。支撑件中间钻有由1 5 m 的小孔。 广两大学硕士学位论文 内置白旋弹簧换热管工作特性实验研究 图2 2 支撑件 f i g 2 - 2 廿l es t 九l n i n gp i e c e 把螺旋支撑安装于流体入口端，两边用法兰与螺栓紧密地连接在一起，螺旋弹簧端 头拉出一直段从支撑孔伸出，螺旋弹簧直段端头一小段弯曲与直段成一个角度形成一钩 头，此钩头角度稍大于9 0 。，弹簧另一端为自由端，这样弹簧可在传热管内自由转动， 而又由于弯曲的小段钩头在支撑孔处被定位。 2 3 图2 3 弹簧结构示意固 f i 晷2 3s 咖咖r eo f r o 忸t a b j es p 卉n g 广两大学硕士学位论文内置自旋弹簧换热管工f r 特性实验研究 下面就是根据正交实验设计表而确定的各个自旋弹簧的尺寸参数表。 表2 1 弹簧试件结构参数袁 1 b b l e2 ll i s to f m es t m c t u mp a 憎m e t e r so f s p n g 外径d ，螺距e ， 丝径d ， 序号代号m mn l l l lc f nd d i蚴 lt 1 6 6 2 0 - o 71 6 62 00 7lo 0 3 5o 8 3 2t 1 6 ，6 2 5 - o71 6 6 2 5 o 71 2 5o 0 3 50 8 3 3t l5 7 3 0 o71 5 73 0o 71 5o 0 3 5o 8 4t 1 2 2 0 o 71 22 00 71o 0 3 50 6 5t 1 2 ，5 - 2 5 一o ，71 2 ，5 2 5o 7 1 ，2 5o 0 3 5o 6 2 5 6t 1 2 3 0 一0 71 2 3 0 o 7i 5o 0 3 5o 6 7t 1 4 4 - 2 0 1 - o1 4 42 0 l l0 0 50 7 8 t 1 4 2 5 - 1 o 1 42 5l1 2 50 0 50 7 9t 1 2 5 3 0 1 o1 2 53 0l1 5 0 0 50 6 2 5 1 0 t l o 8 2 0 1 01 0 82 0ll0 0 5 0 5 5 1 1t 1 0 8 2 5 1 o1 0 82 5l1 - 2 50 0 50 5 5 1 2t 9 4 3 0 - 1 o9 43 0l1 50 0 50 4 5 1 3t 1 4 2 0 i 2 1 42 0 i 2io 0 60 7 1 4t 1 3 3 2 5 一1 21 3 3 2 51 21 2 50 0 6 0 6 5 1 5t 1 2 7 3 0 1 2 1 2 73 01 21 50 0 6 o 6 5 1 6t l o 9 2 0 - 1 21 0 92 0i 21o 0 6 o 5 5 1 7t 1 0 3 - 2 5 一1 21 0 32 51 21 2 50 0 60 5 1 8t 9 1 3 0 1 29 1 3 0 i 21 5o 0 60 4 5 注；d 1 = 2 0 i r l i l l 弹簧长度为3 0 0 0 m m 。 24 自旋弹簧的工作原理 传热设备运行时，流体通过支撑面进入管程后，弹簧被流体带动，产生旋转，这种 螺旋环流和弹簧后的漩涡脱离的共同作用，使弹簧发生振动；又由于螺旋环流的液体给 弹簧的反作用力的切向分量，形成与螺旋环流反向的工作力矩，驱使弹簧连续旋转。此 外，弹簧还有一定的轴向游动，游动的幅度在流量波动大时更大。管内装入自旋弹簧后， 广两大学硕士学位论文内置白旋弹簧换热管t 作特性实验研究 使流体流动路径增加，并形成旋转流，由于离心力的作用，冷流体由管中心向管壁流动， 而热流体由管壁向中心流动，这样的二次流达到径向混合的目的；又由于螺旋丝靠近管 壁面，当旋转流流过时，增加了流体的湍动，使层流底层减薄。 由于弹簧的连续转动和横向随机振动及其轴向游动，使传热管内壁面的污垢得到刮 擦和撞击，加上螺旋环流与法向振搅的共同作用，达到在线、连续、自动除垢防垢的目 的，并使管内对流传热过程中的最薄弱环节一边界滞流层进行了强烈的机械扰动和搅 动，使传热得到高效强化。因此，其强化传热的机理主要是使流体边界层得到扰动而产 生二次流，促进湍流核心流体与边界层内流体的混合。 2 5 试验设备 1 p 水槽2 水震3 ，电磁式流量计( o 一8 一h 4 ，u 形管压差计5 温度计6 加然器 7 ，视境8 ，精密压力表9 、d z f 电蒸汽发生器l o ，疏水问 图2 4 传热试，验流程示意图 f i 备2 - 4p r o s s o f t | 幛i i 嘶佃n s f e r e x p e m e t 广西大学硕士学何论文 内置自旋弹簧换热管工忭特性实验研究 该试验装置的实验段是一个立式管壳式换热器。该设备换热管采用由2 5 2 5 唧、有 效长度为2 9 5 6 m 的无缝钢管。管程介质为水，水流自上而下通过管程。在管内可插入 不同规格的弹簧：壳程为饱和蒸汽，蒸汽由d z f 电蒸汽发生器产生。 “加热器”外侧 有约5 0 m 厚的玻璃纤维保温层。在换热器管程的进出口以及壳程的中部分别设置有精 度为o 1 精密水银温度计，以测量介质的进、出口温度和壳程饱和蒸汽的温度。管程 的压降通过水银压差计测量而得，水的流量用型号为i f m 4 0 8 0 f 的电磁式流量计测量。 将小镜片用胶布贴在弹簧上，视镜可见的地方，当换热管内置入弹簧时用s z g 一4 4 1 b 手 持式数字测速仪测量其转速。该设备关掉d z f 电蒸汽发生器就可以进彳亍冷态实验。 2 6 试验测试内容 本试验需要得到内置不同弹簧试件的换热管的强化换热特性，试验中需要测出管内 管外流体的温度变化。而要得到不同试件模型的流动阻力特性，则要得到内置不同试件 换热管前后的流体压差p ，要得到不同试件模型的转动特性，则要得到试件在换热管 内的转速n 。所以本试验的任务就是改变水的流量( 雷诺数) ，测出不同流量条件下的温 度及压降和转速。在实际试验过程中，我们把试验分为冷态试验和热态试验两部分，冷 态试验的目的主要为了研究自旋弹簧的工作特性，包括转速特性和阻力特性两方面，主 要测量在不同流量下自旋弹簧的转速n 和压降p 。而热态试验则要进行换热管中内置 自旋弹簧的传热特性研究，研究白旋弹簧的传热强化效果，主要测量在不同流量下冷却 水的进口温度t i 、出口温度b 、蒸汽温度t 3 ，蒸汽压力p 。 广两大学硕十学能论文内置白旋弹簧换热管工作特性实验研究 第三章自旋弹簧的转动特- 陛及阻力特性 冷态试验研究在常温下自旋弹簧在换热管内的转动情况以及分析插入弹簧后流体 的阻力特性，为下一步的热念试验做准备。为顺利完成测试换热管内置弹簧的各项参数， 必须把试验前的工作准各就绪，其中包括试件的制备，试验装置的安装等。 3 1 冷态试验方法 本试验从水流量w ：o 开始测量，流量以0 2 【3 h 递增至4 o 一h ，再以相同的改变 量递减至o ；记录下每一流量的压降h 、转速n ( 有弹簧试件的情况才测) 。并通过计算 求出流速u 、压降p 、雷诺数r e 和摩擦阻力系数 ，作出各弹簧的转速特性曲线和流 体阻力特性曲线：流量w 一转速n 、流速u n 曲线，流量- 一压降p 、u 一p 、r e x 曲线并记录弹簧起转和停转时的流量w 及压降h 。 3 2 冷态试验步骤 1 、将一小镜片( 大约长5 c m ) 用胶布贴在自旋弹簧上，使其能通过视镜观测，从而可 利用测速仪测量自旋弹簧的转速。 2 、在钢管内置入自旋弹簧后，开启水阔并打开换热管上方的排气胶管，完全排尽 装置内的空气。从观测镜处观察无气泡即可。 3 ，调节流量从o 开始。记录压降h 4 、逐次递增流量，每次增加o 2 m j h ，记录冷水流量w ，自旋弹簧转速n 和压降h 。 记录下特殊点，自旋弹簧旋转时的流量及压降。 5 、当流量达到4 o m 3 h 后，逐次递减流量，仍以o 2 一h 为变化单位，直至流量为 o m 3 h ，记录相应数据。并记录下自旋弹簧停转时的流量和压降。 6 、重复以上步骤，再记录另一自旋弹簧的数据。 3 3 冷态试验数据处理计算公式 l 、截面积与流速 1 6 广两大学硕七学位论文 内簧白旋弹簧换热管工作特性实验研究 钢管的内截面积a ： 爿：! d 2 ( 3 1 ) 4 式中，d 广铜管内径，d 产o 0 2 m 空管无内件时流体的流速u 为流体流量w 与钢管截面积之比，即 “：j l 一 ( 3 2 ) 3 6 0 0 式中、v 一流体的流量。m h u 一流体的流速，1 1 l s 当管内置入弹簧试件后，管内流体的实际流动通道为非圆形截面通道。对于非圆形 管，可采用当量直径d e 来代替非圆形管的“直径”。当量直径定义为4 倍的水力半径。 水力半径就是流体在流道里的流通面积与润湿周边之比。但由于由于弹簧丝径d 与钢管 内径d 相比很小，通过当量直径公式计算出来的d e 与钢管内径d i 相差不大，故取当量 直径 d e = d i( 3 3 ) 这时流体的流速u 仍可表示为流体流量w 与钢管截面积之比，见( 3 2 ) 式。 2 、流体压降 流体的压降由u 形压差计测出通过计算可得到压降 量= t p m g p h g h 式中a p _ 钢管内流体流动压力降，p a h - 】型压差计的读数，n i h g 数据处理时，取水流体温度为2 0 下的物理参数， p 垤= 1 3 5 9 5 1k g ，m j 3 、雷诺数 ( 3 4 ) 即砌2 d = 9 8 8 2k 跏1 3 ， 雷诺数是决定流体在管内流动类型的一个无因次数群，它是流体所受的惯性力与粘 性力之比对管流而言它由管道几何尺寸d e 、流体的平均速度u 及流体密度p 和粘度 等四个数组成，即 堕查兰堡主兰壁丝奎 查里皂塑堂篁垫垫笪三堡矍丝窒墼型塞 r e ；鱼里：! ：坐( 3 5 ) z o 式中r e 雷诺数 d e 一置入自旋弹簧后钢管的当量直径，在这里d e = d i ，m ph 2 d 一水流体的粘度，取水温2 0 时，2 0 = l o o 5 1 0 4 p a s 4 、当量长度和摩擦阻力系数 流体在管道中流动时，由于粘性力与涡流的存在，必然会引起能量的损失，流动时 的阻力损失可用范宁公式计算。 驴五去x 孚 c s 卅 上式中 摩擦阻力系数 卜管路系统中u 型管测点两端测点问直管的总长度，m 流体流经管件、阀门等局部地区所引起的能量损失可仿照式( 3 - 6 ) 写成如下形式： 以= a 等譬 c s 叫， 其中 。，局部能量损失，j k g 1 广管件或阀门的当量长度，其单位为m ，表示流体流过某一管件或阀门的局部 阻力，相当于一段与其具有相同直径、长度为1 。之直管阻力。实际上是为了便于管路计 算，把局部阻力折算成一定长度直管的阻力。 管件或阀门的当量长度数值都是由试验确定的。某些管件与阀门当量长度可从文献 口1 中图1 - 2 9 查得。 因此，管路的总能量损失为 孕譬 c 。删 因为= p p ，由此，可得摩擦系数的计算公式 a = 鑫格 - 。， ( ，+ t ) 户h 1 d “。 e 式中 摩擦系数 1 3 广两人学硕七学何沦文内簧自旋弹簧换热管工作特性实验研究 1 管路系统中u 型管测点两端测点间直管的总长度，m 1 广管路系统全部管件与阀