（工程热物理专业论文）流体横掠顺列螺旋槽管的传热特性研究.pdf

塑墨! 垒堕型! 流体横掠顺列螺旋槽管的传热特性研究 张芳颖 导师：程林教授 摘要 螺旋槽管为普通换热管经轧制或用其它加工方法在其内外表面形 成螺旋槽道的一种高效换热管形。其作为一种较理想的强化传热手段， 特别适合在灰污与腐蚀性换热的环境中使用。目前，循环流化床在我 国发展势头强劲，为电站锅炉的卧式螺旋槽管空器预热器提供了广阔 的应用前景。螺旋槽管空器预热器有着占地小、换热效果好、抗污能 力强、防漏风、减轻低温腐蚀和堵灰的的突出优点。本文作者就是在 这种背景下展开顺列螺旋槽管管束气一气换热特性研究的。 本文围绕着螺旋槽管空器预热器，从理论和试验两个方面开展研 究。在理论上阐明了流体横掠顺列管束流体绕流与放热的机理，深入 分析了螺旋槽管的换热特性，介绍了顺列管束在不同r e ，有着不同的放 热规律。在横向管距大而纵向管距小的顺列管束中，可以产生最强列 的放热。全管束的总平均放热与撕，、c 口、c ；以及c 。等因素有关。采用 管内经验公式求出管内对流换热系数，由试验数据得到总传热系数k ， 后对其进行分离得到管外对流换热系数。数据采用正交设计方案对光 管( 矽4 0 1 5 r a m ) 和8 种螺旋槽管( 庐4 0 1 ，5 r a m ，15 r a m p 2 4 r a m ， 1 o m h 1 5 r a m ) 的顺列管束( 1 5 毛如2 ，1 2 5 s 2 如1 7 5 ) 进行 了5 4 组不同方案的试验测试，对数据进行多元线性回归分析。通过试 验系统检验表明，用该试验系统得到的光管管束换热关联式与经典光 管管束换热关联式相比，最大相对误差为4 7 ，可见，本试验系统是 可靠的。 试验设计搭建空气横掠顺列螺旋槽管试验台，通过对8 种不同管 径、稽深、螺距的单头螺旋槽管和光管进行了5 4 组气气横掠换热特性 试验研究，得到了顺列光管管束横掠管束换热关联式并首次得到顺列 l 山东大学硕士学位论文 螺旋槽管管束横掠管束换热关联式；从总换热系数和横掠管束换热系 数角度分析了顺列螺旋槽管管柬与顺列光管管束在换热能力上的比 较，可以看出，螺旋槽管在总传热系数上比光管要高出较多，达1 27 8 4 1 5 ，平均2 7 1 4 ；从横掠管束换热系数来看，除了a 1 管子 偏高外，整体上看在2 0 5 17 ，0 2 之间，一般平均9 5 4 。 可以说螺旋槽管较之光管，具有传热系数高、抗积灰性好、能减 轻管壁低温腐蚀以及轧制工艺简单等优点。因此，用螺旋槽管空气预 热器替代光管式空气预热器，可收到改善锅炉燃烧条件、提高锅炉热 效率、降低能耗和减少检修维护工作量等一系列经济技术效益。 上述研究结果为顺列布置的卧式螺旋槽管空气预热器的应用，尤 其是为循环流化床锅炉空气预热器提供了设计依据，同时也为各类快 装锅炉、化工设备的中间冷却器、电厂空气预热器、冷凝器、热风炉、 工业窑炉以及空气调节器等的设计和改造提供依据。 关键词：循环流化床，螺旋槽管，横向管距，纵向管距，顺列，横掠 摘要( a b s t r a c t ) s t u d i e so nt h eh e a tt r a n s f e r e x p e r i m e n t o f s p i r a l l y c o r r u g a t e d t u b eb u n d l e sf o ri n - l i n e a r r a n g e m e n t z h a n gf a n g y i n g d i r e c t o r ：c h e n gl i n s h a n d o n gu n n 町e r s i t y a b s t r a c t t h es p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e si sat y p eo fe f f i c i e n tt u b e sf o rh e a te x c h a n g i n g ， w h i c ha r ef o r m e db yc r e a t i n gs p i r a l l yc o r r u g a t e dg r o o v ei nt h ei n t e r n a la n de x t e r n a l s u r f a c eo ft h eo r d i n a r yh e a te x c h a n g et u b eb yr r i e a n so f r o l l i n go ro t h e rp r o c e s s i n g m e t h o d i ti sv e r ys u i t a b l ef o ru s ew h e nf o u l i n ga n de r o s i o na r i s ei nt h ep r o c e s so f h e a tt r a n s f e rb e c a u s ei ti sak i n do fm e t h o df o ri n c r e a s i n gt h er a t eo fh e a tt r a n s f e r a t p r e s e n t ，c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e rd e v e l o p sv e r yf a s ti nc h i n aa n di tp r o v i d e sa w i d e p r o s p e c tf o rt h ea p p l i c a t i o no f h o r i z o n t a la i rp r e h e a t e rw i t hs p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b eb u n d l e so fi n l i n ea r r a n g e m e n t ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l li nv o l u m e ， h i g he f f i c i e n c y i nh e a tt r a n s f e r ，s t r o n g a n t i - f o u l i n ga b i l i t y , p r e v e n t i n ga i rl e a k a g e ， l i g h t e n c o l de n de r o s i o na n df o u l i n g t h e r e f o r e ，a n e x p e r i m e n t a ls t u d yo nh e a t t r a n s f e ro f s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b eb u n d l e sf o rc r o s s - f l o ww i t hi n - l i n ea r r a n g e m e n t i sp e r f o r m e d i nt h i sp a p e rt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yi sc a r r i e do u t t h em e c h a n i s m i sm a d e c l e a r ，a n dh e a tt r a n s f e ro f t h es p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e si sa n a l y z e d t h el a w s o fh e a tt r a n s f e rf o rt u b eb u n d l e so f s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e so fi n - l i n ea r r a n g e m e n t a r ed i f f e r e n tw h e nr e r v a r i e s t h et o t a la v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h e w h o l et u b eb u n d l e sd e p e n d so nn u r 、。口、c ：a n d 。 t o c a l c u l a t et h ei nt u b e c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h r o u g h t h ei nt u b e e x p e r i e n c e f o r m u l a t h e r e f o r e ，w ec a ng e tt h ed a t ao ft h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tk ，a n dt h u sg e t t h en u m e r i c a lv a l u eo fc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h ee x p e r i m e n ta p p l i e s 5 4m e t h o d st ot e s tt h ed a t a ，a n dm a k e sam u l t i - m e t al i n e a ra n a l y s i st h er e s u l to ft h e s y s t e m a t i ce x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h el i g h tt u b em a d ei nt h i sw a y c o m p a r e dw i t ht h e 山东大学硕十学位论文 t r a d i t i o n a lt u b eh a sa ne r r o rr a t eo fo n l y4 7 a n dt h e r e f o r e w e s a yt h a t t h i s e x p e r i m e n t a ls y s t e mi sr e l i a b l e a ne x p e r i m e n t a l s y s t e mw a sd e s i g n e d a n ds e t u pt os t u d yh e a tt r a n s f e ro f s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b eb u n d l e sf o rc r o s s f l o w w i t hi n l i n e a r r a n g e m e n t ，a n d5 4 g r o u pe x p e r i m e n t a ls t u d i e so n h e a tt r a n s f e ro fs m o o t ha n ds p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e b u n d l e sf o rc r o s s f l o ww i t hi n l i n ea r r a n g e m e n ta r ep e r f o r m e d t h eh e a tt r a n s f e ro f t u b eb u n d l e sf o rs m o o t ha n ds p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b e s o fi n - l i n e a r r a n g e m e n ti s p r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e f r o m t h ec o m p a r i s o no ft h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ka n dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc r o s s f l o wo f t u b eb u n d l e sw i t hi n l i n e a r r a n g e m e n tb e t w e e n t h es m o o t ha n ds p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e so fw ec a ns e et h a tt h e v a l u eo fkf o rs p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b eb u n d l e sw i t hi n l i n ea r r a n g e m e n ti sm u c h h i g h e rt h a nt h a to f s m o o t ht u b e b y1 2 7 8 4 1 5 ，w i t ha na v e r a g ev a l u eo f 2 7 14 ：a sf o rt h ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，t h ev a l u eo ft h es p i r a l l y c o r r u g a t e dt u b eb u n d l e si sh i g h e rt h a nt h ev a l u eo fs m o o t h t u b eb y20 5 17 0 2 w i t ha n a v e r a g ev a l u eo f 9 5 4 e x c e p t t h a t t h e v a l u e o f t u b e a ii s t o o h i g h e r s ow ec a r l s a ys p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b eb u n d l e so fi n l i n ea r r a n g e m e n tw h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c yi nh e a tt r a n s f e r ，s t r o n g a n t i f o u l i n ga b i l i t y ， p r e v e n t i n ga i rl e a k a g e ，l i g h t e nc o l de n de r o s i o na n df o u l i n gw h i c hc o m p a r e w i t ht h e s m o o t ht u b e sb u n d l e s t h e r e f o r e ，s u b s t i t u t ea i rp r e h e a t e rw i t hs p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b eb u n d l e sf o ra i r p r e h e a t e rw i t hs m o o t ht u b eb u n d l e s ，c a nr e c e i v e s e r i e so f e c o n o m yt e c h n o l o g i c a l b e n e f i ts u c ha s i m p r o v eb o i l e r b u mt e r m s r a i s eb o i l e r t h e r m a le f f i c i e n c y ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s t ，e t c t h er e s u l t so b t a i n e da b o v ec a np r o v i d eat 6 c h n i c a lg u i d ef o rt h ea p p l i c a t i o nt o t h eh o r i z o n t a la i r p r e t h e a t e r w i t h s p i r a l l yc o r r u g a t e d t u b eb u n d l e so fi n - - l i n e a r r a n g e m e n t k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e db o i l e r s ，s p i r a l l yc o r r u g a t e dt u b e ，t r a n s v e r s e t u b e p i t c h ，l o n g i t u d i n a lt u b e p i t c h ，i n l i n ea r r a n g e m e n t ，c r o s s f l o w 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：燃日期： f1 8 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：龇导师签名：l 雌日 期：f 堕 主要符号表 试验段通道高，m ；横向相对管距 口= q d 。 m 试验段管数 换热面积，m 2 ；螺旋槽管符号p r p r a n d t l 数，p r = 卢c 。2 试验段通道宽，m ；横向相对管距 b = s 2 d 。 q 换热量、传热量、热流量，w 定压比热容，j ( k g 。c ) r 管半径，m 管径，m s管距，m 被测风道管道内径，ms流通面积，m 2 重力加速度，g = 9 8 m s 2 a ，温差，。c r e y n o l d s 数，r e = p “d 1 ti平均温度，。c 总传热系数，w ( m 。c ) ：司托克准则数r温度，k ； 压力计工作液柱长度，m“流速，轴向流速，m s 蜂窝长与蜂窝口径比u速度 质量流率，k g s z管排数 n u s s e l t 数，n u = a d 2p压力，p a ；螺距，m 希腊字母 对流换热系数，w ( m 。c ) p密度，k g m 3 动力粘度，p as 善毕托管系数 压力计工作液柱与水平面的夹角p笛型管速度校正系数 运动粘度，u = , u p ，m 2 sr时间，s 脚标 横向管距：进口 纵向管距；出口 室内空气 关联式待求系数，图的编号 管内 最大值 最小值 静压；管外 毕托管编号 压力计工作液 口 4 6 d p b o 耻 k ， 叭 吖 m 口 口 u x n 眦 _ 吾 。 m w 2 订 口 ， 一 釜二望壁堡 第一章绪论 1 1 课题研究背景和研究意义 螺旋槽管为普通挟热管经轧制或用其它加工方法在其内外表 面形成螺旋槽道的一种高效换热管形。其作为一种较理想的强化传 热手段，特别适合在灰污与腐蚀性换热的环境中使用。 目前火电厂锅炉主要采用的空气预热器有两种形式：管式和回 转式。管式空气预热器制造和维修方便，在锅炉中采用最为广泛。 但由于光管空气预热器的管内侧( 即烟气侧) 的换热系数较低，致使 它存在如下缺点：( i ) 传热系数较低，受热面积大，占据空间大， 用于大型电厂锅炉时，初投资较大；( 2 ) 锅炉排烟出口处的进风部 位，壁温较低，容易产生低温腐蚀，一般采用提高进风温度或排烟 温度来解决这一问题，但这又使本来传熟效率低的缺点更加突出； ( 3 ) 低温腐蚀造成加速管内的堵灰，而且腐蚀堵灰极难清除。大型 电厂锅炉普遍采用占地紧凑的回转式空气预热器。但是，回转式空 气预热器存在问题较多，漏风量大是一个难以彻底解决的问题。对 于燃煤电厂锅炉来说，回转式空气预热器的紧凑性又往往变成它的 另一个重要弱点一一堵灰。因此，回转式预热器的运行离不开连续 或定期吹灰，吹灰耗费能源，加上传动装置的能耗，致使回转式预 热器的运行能耗相当大。 正对上述问题，采用预热器中螺旋槽管是一种较理想的解决方 案，它特别适合在灰污与腐蚀性换热的环境中使用。采用螺旋槽管 替代光管更换腐蚀段空气预热器，既可降低锅炉排烟温度，提高锅 炉热效率，还可提高管壁温度，减轻空气预热器的低温腐蚀和堵灰， 作为电厂锅炉和工业锅炉的空气预热器传热件较为理想。螺旋槽管 在国外应用较早，并已有商业化产品，国内近年来也广泛地应用在 各类快装锅炉、化工设备的中间冷却器、电厂空气预热器、冷凝器、 热风炉、工业窑炉以及空气调节器等。国内外的研究均表明，螺旋 山东大学硕士学位论文 槽管的抗污染性能优于光管。实际应用表明，节能效果显著。螺旋 槽管式空气预热器的传热系数比光管式可提高6 0 ，在相同传热 量下，其受热面积和所占空间比光管式显著减少，这就为在大型电 厂锅炉中的应用创造了条件。采用螺旋槽管替代回转式作为空气预 热器是个发展方向。但目前这些应用还只注重强化管内的传热，一 些涉及到管内外强化换热的工业应用，特别是管外一侧的换热特性 则缺乏充分的试验数据，已得出的相关关联式还只停留在初始阶 段，急需进一步研究来进行充实和完善。 循环流化床是国内外公认技术上最成熟、商业化程度最好的一 种洁净燃煤技术。循环流化床锅炉自上世纪8 0 年代第一台投入商 业运行以来，获得了迅速的发展，近年来在我国发展势头迅猛，各 锅炉厂仅12 5 13 5 m w 等级的循环流化床锅炉的订单，每年达数十 台。循环流化床锅炉为了燃煤的流化，要求一次风压很高，达 15 0 0 0 2 0 0 0 0 p a ，因此对空气一一烟气压差很大的空气预热器的密 封性要求甚严。目前国内外多采用顺列布置( 减轻灰粉磨损) 卧式 ( 容易密封) 光管式空气预热器，但占地面积多、体积庞大是这种 空气预热器的最大弊端，5 0 m w 锅炉尾部空间已感不足。这已成为 循环流化床锅炉向大容量发展时空气预热器急需解决的问题，因此 对适用于循环流化床锅炉强化传热式空气预热器的研究具有十分 重要的现实意义。 1 2 螺旋槽管及管束强化传热技术的国内外研究状况和进 展 螺旋槽管是用光管通过碾压法制成的，碾压的结果形成螺旋凹 槽，管内形成螺旋形凸出物，对于单相流体来说，由于螺旋形凹槽 及凸出物的存在，管子内外表面的对流传热都可以褥到强化。和其 它强化传热管件相比，螺旋槽管具有制造简单、传热性能和机械性 能好等优点，自l9 6 6 年美国橡树岭国立实验室的l a w s o n 等人发表 第一篇有关螺旋槽管的研究报告以来，这种管子引起了人们广泛的 关注。国内外学者在螺旋槽管的研究及应用方面做了大量的工作。 第一章绪论 1 2 1 螺旋槽管空气换热的研究 19 6 7 年，s u t h e r l a n d ，w a 发表对- 螺纹管的研究，认为p e = 1 0 为最佳结构。1 9 6 8 年，b k mh ra n 2 1 对单头和多头深槽结构 螺旋槽管进行研究，认为同等功耗下，单头结构在 d f = 0 2 ，p d = 3 1 时热力性能指标较高，其换热量比光管高2 0 左右，但总的来说， 深槽结构的热力性能指标比浅槽的低。19 6 9 年，b e r g l e s f 3 】首次对 相对粗糙度e = 0 ，0 1 2 的粗糙管进行了气一气换热试验，但主要作了 粗糙管内插入扭率为2 5 、4 2 、6 0 的扭带的试验，认为在低雷诺 数时，光管插扭带要比粗糙管插扭带旋流性能好，当r e 1 05 时， 粗糙管旋流传热性能要比光管约高2 5 左右。 l9 8 0 年，重庆大学程俊ni 1 等作了交叉螺旋槽管管内阻力和 传热试验，管内介质是空气。得到了换热关联式： n u ：7 8 2 1 0 “1a k3 一b k2 + c k 一2 5 1 n 丝一2 1ik 3 e 30 9 7 一。2 r e l 上j j 上式中：k = 与乎竽；a = 1 5 6 1 0 - 4 ；b = 0 0 2 3 l ；c 。1 1 8 ；适用范围： 6 0 0 0 r e - 6 0 0 0 0 , 4 4 6 4 _ 掣 7 2 9 9 ”纠7 5 ，0 0 3 3 3 h d ，_ 0 , 0 5 5 6 这一结果已经针对管内空气的换热研究，但表达式比较复杂，雷诺 数范围还不够宽。同年，程俊国【”1 4 1 等又作了单头螺纹管气一气 试验研究，得出如下结论： n u = 0 9 7 3 r e o “( p d 。) 。0 粥( 而d ，) o 4 7 8 适用范围：r e = ( 2 7 ) x 1 0 4 ；h d , o 0 7 ；p d , = o 5 17 ； 4 厂= 2 0 ，6 r e o 。7 8 ( p d ，) 一o3 5 ( h d ，) 5 5 适用范围：r e = ( 2 5 5 ) 1 0 4 ；h d 。0 0 5 ；p d ， 1 7 8 ； 4 f = 2 2 r e - 0 0 。( p d ，) - 00 7 ( ，d j ) 1 ” 适用范围：r e = ( 5 8 ) 1 04 ；h d ， 0 0 5 ；p d ，= o 3 7 2 2 2 。 程俊国认为p d = 0 5 0 7 5 ， d s 0 0 5 4 时螺旋槽管传热效果较好， 并认为小节距p 和小槽深h 比大节距和槽深的传热效果好。程俊 国单头螺纹管的关联式表达得就比较简练，而且雷诺数最大值有所 l 【l 东大学硕士学位论文 增加。 19 8 2 年，i o m 1 3poob 【l7 1 等，作了螺旋槽管管内空气换 热试验，得出换热关联式： n u , = 0 0 5 6 r e 0 _ 8 p r 。4 3 。”( 甜3 该式适用于空气介质，以及d i = 2 0 - 2 8 f f l m ，h = 0 3 1 ，5 m m ，n = 3 ， p = 18 10 0 r a m ，r e = 2 1 0 3 1 0 5 的场合。该式表达形式简练，雷诺数 范围也较宽，但限于兰头螺旋槽管，这是美中不足之处。 19 8 7 年，东南大学叶赛银 2 2 1 作了+ 螺旋槽管单管气一气换热试 验，认为在相同r e 数下，螺旋槽管管内n u 数为光管的1 2 2 6 倍， 管外为m 。m 。s = 1 0 1 5 ：对r e ，p r ，p e ，e l 口进行关联，得到回归公 式： n u = o 1 3 7 r e 08 3 4 ( p e ) “6 0 口) ”9 3p r o 4 ，其最大偏差为10 5 ， 适用范围：r e = 1 0 4 1 0 5 ； 推荐在p h = 1 1 5 9 18 5 6 ，h d = o 0 2 5 0 0 4 6 范围内螺旋槽管性能 最好。这一结论首次给出了换热关联式的误差范围。宋家全 2 4 1 ( 19 8 9 ) 和q t z h o ue ta 1 25 1 ( 19 9 0 ) 对单头螺旋槽管管内空气换 热研究得出：对螺旋槽管来说，当p 矗= 1 1 1 4 时，螺旋槽管热力性 能指标较高；所得螺旋槽管传热公式如下： n u ，= 0 1 0 7 r e o ”7p r o4 ( h d ，) o ”( p h ) “2 ”； 适用范围：h d ，= o 0 2 一o 0 5 ，p h = 1 1 2 5 ，r e = 1 0 4 1 0 5 。 l9 8 8 年东南大学胡达【26 】作了螺旋槽管 ( h d ，= o 0 3 8 ；p d 。= o 4 7 ；d ，= 3 4 m m ) 单管气一气换热研究，得山管 内、外关联式：。= 0 0 5 0 4 r e 。o ”5p r ”；“。= 0 8 5 5 7 r e 。o 5 p r o3 3 关联式 式相对误差 1 0 ；同样条件下，螺旋槽管m 是光管的2 0 倍左右； m f 。是光管的1 5 倍左右。 19 8 9 年陕西师范大学段兴潮等 2 8 在气体在螺旋槽管内强制湍 流传热时nl 1 与r e 的关联一文中，对单头螺旋槽管管外蒸汽加热 管内空气的研究表明：1 ) 管内强制湍流传热关联式： 帆= 0 0 0 1 8 9 r e l0 8 5 ；2 ) 本实验既进行了固定蒸汽温度，改变空气流 第一章绪论 量的测定，又进行了同一流量空气对不同温度水蒸汽间的传热测 定，但实验值全部落在用关联式计算的直线上，说明准数关联式比 较好地反映实验规律，其平均误差小于2 ，合乎一般要求；3 ) 该式作者认为该准数关联式较好地适用于参数e d = 0 3 0 4 、p d = 0 4 0 5 的单头螺旋槽管水平放置时一般气体与水蒸汽间的传热 过程，适用于r e = l 1 04 l 1 0 5 、pr = 0 6 0 8 的范围内；4 ) 对于垂 直或者倾斜放置的螺旋槽续管的气体换热过程或物性与空气差异 很大( 粘度、密度) 的气体与水蒸汽间的传热过程，文中所得关联式 可能会出现较大误差。 段兴潮的管内强制湍流传热关联式中仅有雷诺数一项，未体现 出螺距、槽深及p f 数对换热的影响，因此不够完整。 1 9 8 9 年东南大学沈慧1 29 1 对强化传熟试验台设计和复合强化传 热的试验研究以及沈慧、周强泰3 0 1 ( 19 9 7 ) 对扭带插入螺纹管复 合强化传热实验研究，对螺旋槽管插入扭带的气一气复合强化换热 作了研究，认为：当螺纹管的旋角和扭带角扭向相反，且接近直角 时，综合传热性能最好。在与光管具有相同泵功耗、相同换热面积 下，传热提高8 3 l4 0 ；在相同面积及换热量条件下，泵功耗减 少为8 0 9 1 ；相同泵功耗及换热量条件。f ，面积减少5 8 - 7 2 。 尽管在此之前b e r g l e s 3 ( 1 9 6 9 ) 、林宗虎23 1 ( 1 9 8 7 ) 都作过扭 带插入粗糙管的研究，但并未明确应用于螺旋槽管，因此沈慧、周 强泰的这一研究结果拓宽了展螺旋槽管的研究领域，为螺旋槽管多 种形式的强化传热提积累了经验数据。 19 9 1 年东南大学李建峰”1 作了空气横向流经螺旋槽管管束 的传热与压损特性的研究，首次得出了螺旋槽管错列管束的管外换 热与阻力关联式。管束排列形式：叉排( 共5 排，每排5 5 根) ： 螺旋槽管参数：h d ，= 0 0 2 1 6 0 0 4 8 7 ，尸，h = 1 0 1 5 5 6 。试验在风洞 台架上完成，管外是1 0 0 。c 左右的热空气，管内是冷却水，管外热 空气横向冲刷螺旋槽管管束。得出如下结论： 1 ) 螺旋槽管管束换热性能优于光管管束换热器，但阻力也有 相应增加：2 ) 随着管子节距的增大，传热效果增强，阻力也随着 5 一些堡奎兰堡主兰竺迨奎 增加；3 ) 随着槽深h 增大，阻力相应降低，但在数量上不明显；4 ) 纵向节距s ：越大，传热越差，但阻力反而增大，和光管有类似变化 趋势；5 ) 随着横向节距s 增加，传热增强，阻力有所降低；6 ) 所 得试验最终关联式： 岷= o z ，帆。”例”( 玎”( 等厂2 ( 毒等厂5 州“ 适用范围：r e o = 3 8 x 1 0 3 5 8 x 1 0 4 ； 前面文献均为螺旋槽管管内的研究，鲜有涉及螺旋槽管管柬的 研究报道，李建峰的研究结果为螺旋槽管管柬方面的研究揭开了新 的一页。 1 9 9 4 年马晓茜【4 1 等作了烟气横擦螺旋槽管的实验研究及其结 构参数的优化的研究，初次提到烟气对螺旋槽管的磨损问题，但未 给出实质性结论。 1 9 9 5 年东南大学张华 43 1 作了管内强化传热的研究，研究对象 为光管、加装扭带的光管、螺旋槽管及交叉螺旋槽管，螺旋槽管及 光管管径均为：4 4 0 x 1 5 m m 。管内工质为空气，流动工况为充分发 展的湍流。研究得出：1 ) 光管内插入扭带的强化方法适用于r e 较大的场合；2 ) 螺旋槽管强化管内传热的方法适用于r e 较小的场 合；3 ) 在试验范围内。扭带的最佳结构参数为y = 2 5 ；螺旋槽管 的最佳结构参数为尸，h = 1 0 1 4 ，h d ，= o 0 3 2 o 0 4 1 ；4 ) 在试验范围 内，交叉螺旋槽管的强化性能比相同结构参数的单头螺旋槽管的强 化性能好；5 ) 螺旋槽管管内对流换热的准则方程式为： n u = o 1 5 r e o 7 8 p r o4 ( p j h ) “2 0 ( h d 。) o ” ：适用范围 ： r e = 1 0 4 1 0 5 ，p h = 1 0 2 1 6 5 ，h d 。= 0 0 3 2 o 0 5 4 ，关联式计算值与试 验值偏差分别在1 0 以内和6 以内。 19 9 5 年，东南大学王泽宁 4 4 1 作了管内单相流体复台强化传热 研究，管内是熟空气，管外是冷却水，螺旋槽管管参数：d ，= 3 7 r a m ， h d = 0 0 3 1 7 0 , 0 5 3 9 ，p h = 9 4 1 1 6 9 。得出结论：1 ) 管内换热关联 式：m ，_ 0 1 7 8 r e o 7 7 p r o4 ( b y p ) o ”( p h ) “”，计算值与试验结果最大相 对偏差为3 8 ，平均相对偏差1 0 8 ，复相关系数为9 9 9 ：2 ) 第一章绪论 动量传递粗糙度函数：r ( 厅+ ) = 0 5 3 r e o ”( h2 p d ) “”，计算值与试验结 果最大相对偏差为1 1 0 ，平均相对偏差3 66 ：3 ) g ( a + ，p r ) = 8 0 3 ( h + ) o2 4 ( p h ) “”p r o ”，计算值与试验结果最大相对偏差为 5 5 ，平均相对偏差为1 6 7 。 由张华和王泽宁的结论可以看出，关联式的精度都很高，张华 的螺旋槽管管内换热关联式计算值与试验值偏差在6 以内，而王 泽宁螺旋槽管管内换热关联式计算值与试验结果最大相对偏差仅 为3 8 。 1 9 9 6 年东南大学王泽宁、周强泰和张华 49 1 作了螺旋槽管管内 换热与阻力试验研究，管内热空气雷诺数范围：r e = 1 0 4 1 05 ，管外 是冷却水。根据试验数据拟合得到： 1 ) 摩擦系数关联式：，= 5 4 2 r e 。”( h d ，) “”( p h ) 一0 ”，该关联 式与试验值的最大相对偏差为l0 9 ，平均相对偏差为3 2 6 ； 2 ) r 函数关联式：月( 矗+ ) = o 5 3 6 r e o ”( h d ，) “2 7 ( 尸向) o ”，该关 联式与试验值的最大相对偏差为1 1 o 平均相对偏差为3 6 6 ； 3 ) 管内n u 数关联式：n u = o 1 7 8 r e o ”p r “4 ( ，d ，) 0 1 9 ( p 是) “2 0 该 关联式与试验值的最大相对偏差为3 8 ，平均相对偏差为1 0 8 ； 4 ) g 数关联式：g ( + ，p r ) = 7 9 5 ( h + ) o2 4 ( 尸h ) “p r “”，该关联 式与试验值的最大相对偏差为5 5 ，平均相对偏差为1 6 7 。 根据性能评价的三个指标，( d i = 0 0 4 3 ，p h = 1 3 1 ) 和 ( d = o 0 4 1 ，p h = 1 0 5 ) 具有比较高的热力性能。 l 叶赛银、王泽宁、周强泰和张华的研究结果是针对电厂锅炉空 气预热器进行的，具有很大实用价值，不仅为空气预热器改用螺旋 槽管的应用提供了重要的设计依据，而且还为作者进一步研究顺列 螺旋槽管空气横掠换热的研究提供了宝贵的参考数据。 l9 9 6 年邱夏陶等5 0 1 对e l d ，= 0 0 4 0 0 5 ，p d ，；1 0 1 1 的单头螺旋 槽管进行了试验研究。管外采用恒温加热( 由管式电炉控制在6 0 0 度；管内空气流速9 - 2 0 m s 。认为在r e = ( 1 0 3 o ) 1 0 4 范围内，螺旋 槽管综合性能较好。邱夏陶的研究未给出实质性的结果。 以上文献研究表明，除了李建峰对错列螺旋槽管管束作过空气 7 山东大学硕士学位论文 横掠试验研究、胡达对某一单管螺旋槽管管外空气换热提出了换热 关联式外，至今尚未见到国内外有关顺列螺旋槽管气一气换热方面 的文献报道。国家教委科技查新中心南京工作站在对中文科技期刊 数据库( v i p ) 、中国学术期刊网、万方数据资源系统、中国高等学 校学位论文查询系统、e ic o m p e n d e xw e b 、i n s p e c 、n t i s 、p q d d 、 w e bo fs c i e n c e 以及e ls e v i ers c i e l l c e 进行查新后得出如。卜结论： 1 ) 有关锅炉空气预热器方面：关于螺旋管式空气预热器的研 究，国内外公开文献报道较多；但对卧式空气预热器j 帧列布置横掠 的研究方面，国内外尚未见公开文献报道。 2 ) 螺旋槽管管束方面：有关螺旋槽管单管管内传热方面的研 究，国内外公开文献报道较多：关于叉排管束的研究，国内外公开 文献报道较少；对于螺旋槽管管束的顺排、气气横掠的研究方面， 国内外未见公开文献报道。 3 ) 螺旋槽管管束经验公式方面：目前对螺旋槽管单管管内研 究，国内外已有经验公式公开报道；而叉排管束气一- 气横掠方面的 研究，文献报道多为东南大学发表；对于以螺旋槽管为换热元件的 顺排、气一一气横掠管束的经验公式的研究，国内外尚未见公开文献 报道。 由以上结论可以看出作者进行螺旋槽管管束顺列横掠传热特 性研究是十分必要和可行的。 1 2 2 横掠管束方面的研究 l 、管外介质为气体 1 9 2 1 年t h o m a 【5 i 】、r e i h e r 【5 26 1 l ( 19 2 5 ) 和r i e t s c h e l l 53 】通过 对空气和其它气体的试验研究，最先提出横掠管柬的换热效果要好 于平行管束流动换热。1 9 3 7 年，p i e r s o n 【52 1 和h u g e 6 1 1 对空气横掠 管束进行了大量试验研究，通过改变流体流速和管间距来考察各因 素对换热的影响，后来，g r i m i s o n 5 556 1 ( 1 9 37 ) 重复进行了他们 的试验，得出换热关联式： r 第一章绪论 对空气： 地：c f 旦里坠1 ”= c r e ，适用范围：2 x 1 03 i 沁 4 。1 0 a ； l 对非空气的其它流体： ”= 1 ，1 3 c r e ”p r ，适用范围：2 x 1 0 3 1 0 。 上述两式中，c 一与横向管距s d 相关的系数。 g r i m i s o n 用另一种方法对p i e r s o n 和h u g e 的试验结果进行关 联，得到下面的式子： 式中：无管束排列形式( 顺列或错列) 因子。由于兀随r e 数、 横向相对管距a 和纵向相对管距b ( 包括顺列和错列) 变化而变化， 用图解法确定无是很困难的，因此h a u s e n 57 1 ( 19 7 1 ) 对g r i m is o n 的 关联式略作修改： 对顺列管束 n u = o 3 4 无r e o 6 0 p r o “ ( 1 2 ) 式 纠+ ( 4 + 孚矗s z ( 器- o ，： 璧 ( 1 3 ) 中： 对错列管束： 式中：无= 1 + o 1 a + 0 3 4 b 。 对于上面的式子，h a u s e n 55 1 ( 1 9 7 6 ) 还提出了一个适于顺列 管束的更简单的关联形式： m = p 赋6 0 + ( 口+ 半五s z ) ( 盖“，肛“ ( 1 5 ) 式中，a 、b 在1 25 3 之间，该式与上面的式子最大计算误差在3 以内。 19 38 年，在p i e r s o n 和h u g e 进行研究的同时，g l a s e r 56 1 对蓄 热器中气体横掠7 m m 厚的铁杆束的换热进行了测试，结果与 p i e r s o n 和h u g e 的结论非常相近。 9 山东大学硕士学位论文 l9 5 6 年br e ss l e r 5 s 试验得到的换热系数比p i e r s o n 和h u g e 的 数值低10 ：h a m m e k e 5 9 】等( 19 6 7 ) 得