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内置铝制自旋扭带换热管工作特性实验研究 摘要 本文采用自旋扭带作为研究对象，目的在于寻找一种可以达到强化传 热和在线防垢、除垢，成本低廉，安装拆卸方便，加工简单，且具有良好 的工作效果和实际应用价值的强化元件。文中介绍了国内外在强化传热和 防垢除垢技术的研究进展及现状。对本论文研究的铝制自旋扭带的结构、 工作原理、数据处理方法做了说明。通过对实验数据的分析总结了转动特 。| 生、阻力特性和传热性能。 论文前期进行了的冷态和热态实验数据测量工作，冷态实验试件2 0 根， 8 0 0 组实验数据，热态实验试件9 根，4 3 2 组实验数据。对自旋扭带的转速、 换热管两端的压力降、流体的摩擦阻力系数、总传热系数、给热系数( 使 用威尔逊图解法确定给热系数关联式) 进行了详细地分析研究。并把结构 参数引入到关系式中，归纳总结了自旋扭带的转速关联式、流体阻力系数 关联式、总传热系数关联式、给热系数关联式、综合评价关联式，使结构 参数得到了量化研究。 通过研究自旋扭带转速与流体流速成线性关系；换热管两端的压力降 与流体流速成二次曲线关系；在实验范围内，总传热系数k 提高率在1 2 6 2 之间。自旋扭带的综合评价效果好，具有较好的工程应用前景。 关键词：强化传热在线防垢除垢自旋扭带换热管威尔逊方法 关联式工作特性实验研究 e = j a 疆m 皿衄n i a ls ，nj d y o n t 丑e w o r l d n g c h a r a c i e m 印c s o f b u l l 肚州a l u m i n i l m s e i f _ r o r d u r i n g t w i 伽dt a p eh e a te x c h a n g e rt u b e a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k et h es e l f m t a t i n gt w i s t e dt 8 p ea st h cr e s e a r c ho b j e c t ，t h eg o a ll i e s i n s e e k i n ga 1 1e n h a l l c e dc o m p o n e n i ，i tm a y e n h a n c c dh e a tt r a n s f e ra n dr e m o v i n 价r e v e n t i n gf o u l o n1 i n e ，l o wc o s t ，e a s yi n s t a l l a t i o na n dr e m o v a l ，s i m p l em a l l u f a c t u r i “gp r o c e s s i n g ，a 1 1 dh a s t h eg o o dw o r ke 矗爸c ta n dt h ep r a c “c a i 印p l i c a t i o nv a l u e t h ep a p e ri n 仕o d u c e st h ep r e s e m r e s e 孤c hs “u a t i o nj nf o u lr e m o v i n g p r e v e n t j n gt e c i i i l o i 0 9 1 e so fh e a te x c h a n g e lt h o c o n s t r u c t i o no ft h es e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p ei n s i d et u b e ， i t s o p e r a 吐n gp r i n c i p l e i n a u t o m a t i c a i l yr e m o v i n g a 1 1 dp r e v e n t i n g 士0 u l j n go ni i n ea n de 】1 1 1 a n c i n gh e a tt r a n s f e ra r e i m r o d u c e d s 啪m a r i z e dr o t a l i n gc h a r a c t e n s t i c s ， r e s i s t a i l c e c h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tt r 锄s f e r p e r f b r i t l a n c et l l r o u g ht h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n l a ld a t a t h ep r e l i m i n a r yo fp a p e r s p r o c e e d e dc o i ds t a t e a i l dh e a ls t a t ee x p e r i m e n t a ld a 诅 m e a s u r e m e n t s ，i n c l u d i n g2 0s a m p l e ，8 0 0g r o u pe x p e r i m e n t a ld a t ai nc 。l ds t a t ce x p e r i m e n t a n d9s a n l p l e4 3 2g r o u pe x p e r i m e n t a ld a t ai nh e a ts 吼ee x p e r i m e n tt h e r ei sad e 谢l e d a f l a l y s i so f t h cr c s e a r c hj nt h er o t a t i o n a ls p e e do f t h es e l f r o m t i n gt 、v i s t e dt a p e ，t h ep r c s s u r eo f h e a te x c h a n 窟e rt u b ee n d s ，t h cf r j c t j o nr e s i s t a n c ec o e 丘i c i e n to fn u i d ，m et o t a lh e a tt 啪s f c r c o e 币c l e n t ，t h ec o e m c i e n to f h e a t - t r a n s f c rc o e 衔c j e n t ( t h ew i l s o ng r a p h i cs 0 1 u t i o ni su s e dt o d e t e m n n eh e a t - t r a n s f e rc o e f h c i e n tc o r r c l a t i o n ) s t 兀l c m r a l p a r 咖e t e r s a r e】e a d e di m o c o r r c l a t i o n s ，s u m m a r i z e dt h er o 诅t i o n a ls p e e dc o 丌e l a t i o no f t h es c l r o t a t i n gt w i s t e dt a p e ，t h e c o r r e i a t i o no f 山ef n c t i o nr e s i s t a n c ec o e m c i e n t ，t h et o t a lh c a tt r a n s f e rc o e 仟i c e n tc o r r e l a t i o n ， t h ec o r r e l a t i o no f h e a t t r a i 】s f e rc o e 踊c i e n t ，a 1 1 di n t e g r a t e da s s e s s m e n to f r e l e v a n c et 0m es t u d y o f s t n l c t 岫lp a r a m e t e r sh a wb e e nq u a n t i f i e d t h es e l r - r o t a t i n gt w i s 【e dt a p er o t a t i o n a ls p e e di sl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hn u i dn o ws p e e d t l l r o u g hr e s e 町c h ；t h ep r e s s u r eo fh c a te x c h a n g e rt u b ee n d si st h es e c o n d a r yc u r v er e l a t i o n s w i mn u i dn o w s p e e d ；t h es c o p eo fe x p e r i m e m s ，t h ei n c r e a s ei nt l l er a t eo ft 1 1 et o t a lh e a t t r a n s f e rc o e f n c i e n tb e t w e e n1 2 6 2 t h es e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt 叩eh a v e9 0 0 de to nt h c t o t a lp e r f o n na r i c ee v a l u a c i o na i l de x t e n s j v ea p p l i c a 【i o np m s p e c to np r o j e c t k e yw o r d s ：e n h 锄c e dh e a t 仃锄s f e r ；f o u lr c m o v i n g p r e v e n t i n go n1 i n e ： s e l f r o t a t i n gt w i s t e dt a p e ：h e a te x c h a n g e rt u b e ：t h em e t h o do f w l l s o n 、v o r k i n gc h a r a c t er i s t i c s ： c o n l a t i o n ： e x p e 订m e n ta 1 1 dr e s e a r c h 符号说明 含义 换热管传热面积 给热系数关联式系数 “加热器”换热管的内径 当量直径 自旋扭带带宽 重力加速度 自旋扭带旋转1 8 0 。的节距 局部阻力造成的压头损失 单位 m 单位重量流体流过，米距离时的直 管阻力损失 单位重量流体流过，米距离时的直 管阻力损失 压差咖h g 能量损失j k g 总传热系数 w ( m 2 ) 管件与阀门等的当量长度 m u 形管压差计两测点之间各管件 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 自旋扭带转速 r m i n 努塞尔准数 r e 的指数 普兰特准数 压力降 p a s m m m m m 口弓 符。出也。 。 也 彬 彬 。h 。 口 ，。 。，一卯 含义 换热器的热负荷 饱和蒸汽的冷凝潜热 污垢热阻和管壁热阻 雷诺数 自旋扭带厚度 温度( 带有角标) 对数平均温度差 流体的流速 流体的体积流量 饱和蒸汽的冷凝速率 冷流体的质量流量 密度 摩擦阻力系数 水流体的导热系数 管壁材料的导热系数 粘度 换热管壁厚 比热 局部阻力系数 给热系数 换热器的热负荷 壁温 蒸汽温度 对数平均温度差 管内冷流体的流速 圆管内的流体体积流量 饱和蒸汽的冷凝速率 冷流体的质量流量 单位 w j k g 群w w ( m ) w ( m ) p a s m j ( k g ) w ( m 2 ) w m s m 3 h k g s k g s o m 瓜向 m耐k瞻垤 号 乜 、 o 符o ，。胁 。“址。 w 。、n h 。 ； 。 o ，址 。仆帅 _ i irll 广西大掌硕士掌位论文内置铝制自旋扭带换热管工作特性实验研究 1 1 强化传热的意义 第一章绪论 2 l 世纪，世界各国更加关注新能源的开发和节能途径的探索。随着现代化工业的飞 速发展，对能源的需求也将与日剧增。由于世界上石油、天然气储量有限，能源短缺以 及石油价格波动，各国都在进行新能源的开发工作以解决能源紧张局面，与此同时，还 积极开展余热回收及节能工作。新能源的发展和余热回收都离不开换热设备，而且余热 换热器常在较小的温差范围内工作，通常需要采取有效的强化传热措施，以提高传热量 来减小换热器的体积和重量。 近年来推出的多种强化传热的研究成果为化工、石油等工业提供了多种新型高效的 传热设备，使大量余热得到充分回收和利用，强化传热技术与高效换热设备已有广泛的 应用并取得了较大的经济效益。 由此可见，发展强化传热技术在实际生产中具有重要意义，强化传热技术具有针对 性强，可应用性强的特点，是传热技术与生产实际的好的结合点。 1 2 强化传热技术简介 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能技术，其主要内容是采用强化传热元 件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的 最优化。换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量 达到最多。强化传热技术的应用主要表征在设备尺寸缩小，投资省，可减少操作费用， 获得较显著的经济效益。应用强化传热技术可以用结构相对紧凑的换热设备来传递规定 的热量，还可以达到以往传统换热器达不到的加热或冷却效果。 1 2 1 强化传热的分类 强化传热的分类方法有很多种，从不同的角度有不同的分类方法。从热量传递的三 种基本形式( 导热、对流和辐射) 来分，可分为提高平均传热温差法、增加换热面积法 和提高传热系数法。从被强化的换热过程来分，可分为导热过程的强化、单相对流换热 过程的强化、沸腾传热过程的强化、凝结传热过程的强化和辐射传热过程的强化。 按照b e r g l e 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 a s s i v e t e c h n o l o g y ) 和有源技术( a c t i v et e c h n o l o g y ) 两种。前者除了唧送传热介质的功率消耗 外不再需要附加动力，而后者却必须依赖外加的机械力或电磁力的帮助。 属于无源强化技术的有下列八种1 2 】： ( 1 ) 处理表面：( 2 ) 粗糙表面；( 3 ) 发展表面；( 4 ) 扰流元件；( 5 ) 涡流发生器； 内置铝靠自旋扭带换热替工作特性实验研究 ( 6 ) 螺旋管；( 7 ) 添加物：( 8 ) 射流冲击。 属于有源强化技术的有如下五种： ( 1 ) 机械搅动；( 2 ) 表面振动；( 3 ) 流体振动；( 4 ) 电磁场：( 5 ) 喷射或吸出。 此外，还有两种或两种以上的强化措施同时应用的，例如在粗糙管内或螺旋管内再 加入扭曲带等插入物，在含插入物的管内或内翅管中放进传热流体的添加物，粗糙管壁 面有流体质量透过，等等，以期获得更大的传热强化效果。这些都被称为复合强化技术。 随着第二代传热技术的发展，迎来了2 1 世纪第三代传热技术【3 】的开发和发展。无功 强化或称被动强化技术无需外部功耗，在工业中应用较广【4 7 】。 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【8 】：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。因此管内插入物强化传热技术特别是在老厂挖潜改造中得到广泛应用。 1 2 2 内插物的强化传热【9 】 插入物在强化管内对流换热中用的比较普遍，但以层流为主。插入物的种类也非常 多( 参见图1 1 ) ，诸如各种扭带、螺旋片、螺旋线圈、麻花铁、静态混合器( 相继的两 个元件旋转方向相反) 等。各种管内插入物对换热的强化作用来自以下几个方面f l 0 l ： ( a ) 迫使流体作螺旋运动，扭带和流体之间的相互作用导致流体中产生复杂的二次 涡旋流动( 二次流) ，增大了流体的湍流度，尤其增大了对近壁区流体的扰动，并促进了 边界层与核心区流体的掺混。 ( b ) 研究发现，二次流还具有使截面速度分布趋于均匀的效果，它和旋转运动产生 的离心力的联合作用可以使边界层的厚度减薄。 ( c ) 旋转二次流使临界雷诺数降低，即从层流向湍流的转变提早发生。 ( d ) 插入物同时具有肋片作用。 巷碜 ( a ) 螺旋弹簧 ( b ) 扭带 ( c ) k e n i c s 静态混合器 图1 1 几种典型的插入强化元件 n g 1 1s e v e r a lt y p i c a ie n h a l l c ej n s e r tc o m p o n e n t 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 4 广西大掌硕士掌位论文内置铝制自旋扭带换热管工作特性实验研究 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。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 进行了实验。 在多种插入物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，并且缺少对高黏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，为用于高黏度流体的传热强化提供了新的技术方法。 如今已开发出了多种形式的内插入物强化传热元件，如环式、拉希格图、盘式、球 式、螺旋线圈、螺旋弹簧、螺旋片、静态混合器、径向混合器、网式、刷式、扭带、钻 孔扭带、错开扭带、花丝、交叉锯带、c t 波带、微型液轮机等。现分述如下。 1 螺旋线圈和螺旋片 螺旋线圈也是最早研究的插入物形式之一，当流速较大时，为减小内插管阻力，可 采用这种螺旋线。研究多数在湍流下进行，不同的研究者得出的结果也不尽相同。 s l a l j 等对螺旋线的主要研究情况做了介绍，并得出结论：对中2 0 m m 左右的管子， 螺旋线的最佳螺距在3 8 m m 8 9 m m 之间；螺旋线的性能不如扭带。 对螺旋线圈强化电站锅炉管式空气预热器管内气体的传热进行了实验研究，在实验 范围内传热膜系数增加1 5 0 2 7 0 ，阻力系数增加1 8 5 7 2 0 。螺旋线圈和螺旋片的 强化传热机理相同，是同时应用使流体旋转和使流体周期性在螺旋凸出物区域受到扰动 的原理来达到强化传热。当e d 及p e 较小时，螺旋凸出物主要起边界层分离作用，e d 及p e 较大的螺旋片，以螺旋流为主( e 一螺旋线线径，p 一管内径) 。 流体在插有螺旋片的管子中流动时，流体的旋转主要发生在强化传热所需要扰动的 近壁区域。以空气作为工作介质进行研究，结果表明：在r e 1 6 0 0 时，n u 值与f 值都高于扭带，在r e 7 0 0 0 的区域内螺旋片的综合性能都优于扭带。 2 螺旋弹簧 华南理工大学化工所【l2 ”j ，研究发现在传热介质流动作用的带动下，旋转螺旋弹簧 ( 图1 2 ) 自动地连续转动，并在流体流动的诱导作用下发生横向振动。由于螺旋对传热 面污垢有转动擦洗作用，加之法向振动的频繁敲击作用，获得了传热面的在线、连续和 自动的除垢防垢效果。上述两种作用还使传热面边界层的流动受到强烈扰动，从而强化 了边界层的传热过程和中心流体与边界流体之间的传热过程。通过对移动弹簧插入物防 垢和强化传热的机理分析，指出弹簧在线防垢和强化传热过程中，流体的流速存在最低 极限，高于此流速，弹簧受流体冲刷振动，使污垢形成过程始终维持在诱导期内，这样 传热关联系数不会下降而且有所提高；低于此流速，则不利于防垢及强化传热。 内j l 铝讳g 自旋扭带换热管工作特性实验研究 ( 曲螺旋扰流器 ( b ) 强化除垢器 图1 2 螺旋弹簧 n g 1 2s p i r a ls p “n g 3 网式、金属丝填料和螺旋刷式内插件 网式内插物是将极细的金属丝填料修剪后插入管内，采用丝径为o 1 m 的不锈钢丝。 管中空隙率大约为1 8 ，实验结果表明，在相同的r e 数下，与光管相比，传热膜系 数提高到9 倍，而且阻力系数则提高近6 0 倍。 螺旋刷由四股扭转的不锈钢丝为主干，鬃毛状不锈钢丝( 直径0 0 0 8 m m ) 固定在主 干上，在相同r e 数下和光滑管相比，湍流区传热膜系数提高了5 倍，阻力系数却提高 了3 2 倍。 4 绕花丝内插物 绕花丝内插物由几组相同的线圈环绕同一中心轴线扭转而成型。中心轴线，以几股 扭转的金属丝为主干，绕花丝内插物吸收了螺旋线圈，扭带以及刷式等内插物的长处， 兼有粗糙表面，螺旋流，位移增进器的作用。大幅度降低管内流体由层流过渡到湍流的 临界r e 数。绕花丝内插物的控制参数相对较多，因其基本构成元件是螺旋线圈和金属 丝轴，所以其结构参数是组成绕花丝的线圈和金属丝的参数以及线圈环绕中心轴线扭转 的方向相反，组成线圈各个圆环均有变形并分布在一组多头螺旋面上，多头螺旋面的旋 向与线圈的旋向相反。绕花丝是预先成型的多孑l 体，具有较大的空隙率，且空隙率分布 极为均匀。 5 m c 型扰动元件 m c 型扰动元件和绕花丝相似，将一定直径的金属丝制成的圆环若干个构成一个单 元，并可根据需要改变圆环的个数与单元问的节距组合成各种形式和不同规格。m c 型元 件主要可分