内置左右旋螺旋叶片转子换热管强化传热实验.pdf

1 41 0 石 油 化 工 P E T R 0 C HE MI C A L T E C HN 0L 0G Y 2 0 1 4年第 4 3 卷 内置左右旋螺旋叶片转子换热管强化传热实验 何长江，关昌峰，张 震 ，何立臣，王 峰，阎 华 ( 北 京化工大学 机 电工程学院 ，北 京 1 0 0 0 2 9 ) 摘要 在传热及阻力特性实验装置上对内置左右旋螺旋叶片转子换热管的传热及阻力 特性进行 实验 。换热实验管段是 E h 2 m 长的外管 ( 5 7 IT l m 3 5 m m) 和内管 ( ( b 2 5 m mx 0 5 mm) 组成的套管。实验结果表明，内置左右旋螺旋叶片转子换热管的努 塞尔数( ) 约是光管的2 5 倍 ，阻力系数 约是光管的2 倍；间距比为2 的内置左右旋螺旋叶片转子换热管的 “ 最大，间距 比为3 的次之，间距比为1 的最小；间距比为1 的内置左右旋螺旋叶片转子换热管的， 最大，间距比为2 的次之，间距比为3 的最 小；间距比为3 的内置左右旋螺旋叶片转子换热管的综合性能最高，间距比为2 的次之，间距比为1 的最低。 关键词 强化传热；换热器；左右旋螺旋叶片转子 ；努塞尔特数；阻力系数 文章编号 1 0 0 0 8 1 4 4( 2 0 1 4 )1 2 1 4 1 0 0 5 中图分类号 T Q 0 2 7 1 文献标志码 A Exp e r ime nt a l St u dy o n He a t Tr a ns f e r Enha n c e me nt Pe r f o r ma n c e o f t he Tu be I n s e r t e d wit h Le f t - Rig ht He l ica l Bl a d e Ro t o r s He C h a n g ia n g，Gu a n C h a n g f e n g，Z h a n g Z h e n ，He Li ch e n ， 馏 ，Y a n Hu a ( C o l le g e o f Me ch a n i ca l a n d E l e ct r i ca l E n g i n e e r i n g ，Be i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mi ca l T e ch n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ) l Ab s t r a ct j T h e h e a t t r a n s f e r a n d f r ict io n f a ct o r o f a t u b e in s e r t e d wit h l e f t r ig h t h e l ica l b l a d e r o t o r s we r e s t u d ie d t h r o u g h e x p e r ime n t s ，wh ich h a d a b u s h in g s t r u ct u r e wit h a n 2 m l o n g o u t e r t u b e( 击 5 7 mm 3 5 mm)a n d a n in n e r t u b e( 2 5 mm 0 5 1 1 3 1 1 3 ) T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e Nu s s e l t n u mb e r a n d frict io n f a ct o r o f t h e t u b e we r e 2 5 t ime s a n d 2 t i me s t h o s e o f p l a i n t u b e ， r e s p e ct iv e l y T h e Nu s s e l t n u mb e r o f t h e t u b e wi t h g a p r a t i o 2 wa s b ig g e r t h a n t h a t o f t h e t u b e wit h g a p r a t io 3， a nd t h e Nu s s e l t nu mb e r of t h e tube wi t h ga p r a t i o 1 wa s t he l e a s t But t h e frict io n f a ct o r o f t he t u be wit h g a p r a t io 1 wa s t h e big g e s t ， a n d t he frict io n f a ct o r o f t h e tube wit h g a p r a t io 2 wa s b igg e r t h a n t h a t o f t h e t u b e wi t h g a p r a t io 3 Th e p e r f o r ma n ce e v a l u a t io n cr it e r ia( P E C)v a l u e o f t h e t u b e wit h g a p r a t io 3 wa s t he b e s t ，wh il e t he PEC va l ue o f t h e t u be wit h g a p r a t io 2 wa s be t t e r t ha n t ha t o f t h e t u be wit h ga p r a t io 1 1 Ke y wo r d s e n h a n ce d h e a t t r a n s f e r ；h e a t e x ch a n g e r ；l e ft - r ig h t h e l ica l b l a d e r o t o r s ；Nu s s e l t n umb e r ； frict io n f a ct o r 管壳式换热器作 为过程工业 中重要 的热交换 设备 ，广泛地应用于石油化工等行业 ，而 目前在管 壳式换热器节能技术中，强化传热技术是应用较为 广泛的一种技术 J 。被动强化传热技术是不需要外 源动力的强化传热技术，如扩展表面、 粗糙表面 j 、 管内插件 等都是应用较为广泛的被动强化传热技 术。其中，管内插件是一种对原有换热器不进行任 何的改变，而是在换热管 中以某种方式安装的扰流 元件。扰流元件对管内液体进行扰流的同时对阻碍 传热的管壁边界层进行剪切，提高传热系数，增加 强化传热效果 。 组合转子是一项提高换热器传热效率 以及 防 垢除垢的新型内插件技术。本课题组对组合转子强 化传热效果的影响进行了研究 ，研究了螺旋开 槽两叶片转子间距 和不同比例左右旋螺旋叶片转 收稿 日期 2 0 1 40 5 1 1 ； 修改稿 日期 2 0 1 40 8 1 3 。 作者简介 何 长江 ( 1 9 8 7 一 )，男 ，硕士生 ，山东省平 邑县人 电话 0 1 06 4 4 3 4 7 3 4 ，电邮 ch a n g j i a n g 8 7 1 2 6 co m。联 系人 阎华 ，电话 0 1 06 4 4 3 4 7 3 4 ，电邮 y i n g l a n y h 1 6 3 co m。 基金项目国家科技支撑计划重大项 目( 2 0 1 1 B A A 0 4 B 0 2 )。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 化 工 P E T R 0 C H E MI C A L T E C HN 0 L 0G Y 2 0 1 4 年第 4 3卷 Le R h e l ica I r 。 t 。 r R i g h t h e l ica l r 。 t 。 r 3 图4 左右旋螺旋 叶片转 子排布 的示意 图 Fig 4 As s e mbl in g o f t he l e ft r ig h t h e l ica l bl a d e r o t o r s ：g a p r a t ioS =L s Q o mc ct c 2 一 t e 1 ) ( 1 ) Q h Mh cAt h 1 一 ( 2 ) 进行 数据 处理 时 ，采 用冷 热流 体 的平均 换热 量 ( Qa 。 ) 作为换热过程的传热量 ： ： 下 Q c+Q h ( 3 ) 同时，为检测管程和壳程换热过程的平衡性 ，管程 和壳程的换热量还应满足下列关系式。 l l 1 0 0 s 冷热流体对流换热总传热系数( K) 为： 一 ( 5 ) “ 一 = 运用威尔逊 图解法从总换热系数分离得到管程对流 换热系数 ，进而得出努塞尔数 ( Nu ) 。 ：箪 Ai ( 7 ) 1 3 2 阻力系数 的计算 换热管管程阻力系数 通过式 ( 8 ) 计算。 ，一2 d o ( 8 ) pl u 2 结果与讨论 2 1 光管实验验证 为验证实验装置的准确性 ，首先对光管进行 传热实验以及阻力实验 ，并将实验得到的M， 和 分 别与相同雷诺数 ( P ) 条件下的G n ie l in s k i经验式 o _ ( 式 ( 9 ) ) 以及P e t u k h o v 经验式 u ( 式 ( 1 0 ) ) 的计算 结果进行比较。 N u = ( + ( 01(P r 1 “ (铬P rw ) + l2 7 ( 8 ) m 一 ) 。 ， ， l厂 =( 0 7 9 1 n R e 一1 6 4 ) ( 1 O ) 光管 的验证 结果 见 图5 。由 图5 可见 ，在实 验 的雷诺数范 围内 ，Nu 的实验值与经验值 的偏差 在一 7 8 1 6 4 9 之间； f的实验值与经验值的偏差 在一 7 1 1 0 1 7 之间，表明实验装置是可靠的。 图5 光管的验证结果 Fig5 Ve r ifi ca t io n o f a p l a in tub e Nu ：Nu s s e l t n u mb e r ； t f r i ct i o n co e ffi ci e n t ；R e ： R e y n o l d s n u mb e r M e a s u r e d d a t a f o r t h e p l a in tub e ； _Gnie l in s ki e q u a t io n； P e t u k h o v e q ua t io n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 2期 何长江等 内置左右旋螺旋叶片转子换热管强化传热实验 2 2 传热的对 比结果与分析 换热管 的Nu 与R e 的关系见图6 。由图6 可知 ， 随尺 P 的增大 ，内置左右旋螺旋叶片转子换热管和光 管 的Nu 均增大 ，这是 由于Re 的增大 ，导致管 内流 体湍动程度增强 ，因而Nu 变大 ；内置左右旋螺旋 叶片转子换热管的Nu 约是光管的2 5 倍 ，这是 由于 内置左右旋螺旋 叶片转子换热管内流体的切向速度 以及径向速度在转子的扰动下得到增强 ，管壁流体 与中心流体问的质量及热量交换得到强化 。 由图6 还可见，在相同的R e 下 ，间距比为2 的 左右旋螺旋叶片转子换热管的Nu 最大 ，间距 比为3 的次之 ，间距 比为1 的最小 。但总体上看 ，间距 比 对强化管传热性能的影响并不明显。对于螺旋叶片 左右旋相问的转子串，前面转子对流体的扰动会被 后面转子打断并改变流体 的运动方 向，当左右旋螺 旋 叶片转子 间距过小时 ，前面转子对流体 的扰流 还未充分发展就被后面的转子改变 ，故间距 比为1 的左右旋螺旋 叶片转子换热管 的Nu 较小。对于 间 距比为3 的左右旋螺旋叶片转子换热管 ，前面转子 对液体的扰动使液体产生旋流 ，但 由于管程阻力的 存在 ，导致旋流产生后就处于衰减状态 ，由于转子 问距较大，后面转子处于旋流衰减的末期 ，使左右 旋转子之间内流体的湍动程度降低，从而使传热性 能降低。对于间距 比为2 的左右旋螺旋叶片转子换 热管 ，由于转子间距适 中，前面转子的扰流充分发 展 ，后面转子对其扰动而重新改变流体运动方向， 增加了流体的湍动程度，使管内流体始终处于最佳 湍动以及换热状态，故其传热性能相对较好。 图6 换热管的N u 与R g 的关 系 Fig 6 Re l a t io n s h ip b e t we e n Nu a n d Re o ft h e he a t e xch a n g e t u be 1； -S =2； 3； Pl a intub e 2 3 阻力对 比结果与分析 换热管的 P 的关系见图7 。由图7 可见，在 实验雷诺数范围内，内置左右旋螺旋叶片转子换热 管的厂 是光管的1 5 - 2 0 倍。这是由于相对于光管 ， 内置左右旋螺旋 叶片转子换热管除沿 程阻力损失 外 ，转子的转动消耗 了流体的能量。 由图7 还可见 ，在相同的R P 下 ，间距比为1 的左 右旋螺旋叶片转子换热管的 最大，间距比为2 的次 之，间距比为3 的最小。内置左右旋螺旋叶片转子换 热管的阻力系数随左右旋转子间距 的增大而减小。 由于转子间距增大后 ，一定长度换热管 内的转子数 目明显减少，因而沿程阻力损失降低且转子转动所 消耗的流体能量减小，换热管进出口压差减小。 图7 换热管的厂 与 g 的关系 F ig 7 R e l a t i o n s h i p b e t we e n fa n d R e o f h e a t e x ch a n g e t u b e S -l； _S= 2； 3； P l a int u b e 2 4 综合性能 采用综合评价 因子 ( P E C) 对 内置左右旋螺 旋叶片转子换热管综合性能进行评价。 距 c- 内置左右旋螺旋叶片转子换热管的综合性能 见 图8 。 图8 内置左右旋螺旋叶片转子换热管的综合性 能 F i g 8 P e r f o r ma n ce e v a lu a t i o n cr i t e r ia ( P E C)o f t h e h e a t e x ch a n g e t u be ins e r t e d wit h l e ft r ig h t h e l ica l b l a d e r o t o r s S =I ： -S = 2： S =3 由图8 可见 ，内置左右旋螺旋 叶片转子换热管 综合性能评价因子均大于1 5 ，说 明其能在消耗较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 41 4 - 石 油 P E TR0CHEM I CAL 化 工 T E C HN 0L 0G Y 2 0 1 4 年第 4 3卷 低泵功的前提下增强换热能力 ，即在换热管中内置 左右旋螺旋叶片转子能提高换热器的换热效率；问 距比为3 的内置左右旋螺旋叶片转子换热管的综合 性能最好 ，间距 比为2 的次之 ，间距 比为1 的最差。 内置左右旋螺旋叶片转子换热管的综合性能随间距 比的增大而提高，是 由于间距比增大对管程的对流 换热系数的影响不很明显，却有效减小了换热管的 阻力，故其综合性能随间距比的增大而提高。 3 结论 1 ) 间距 比为2 的内置左右旋螺旋叶片转子换热 管的N u 最大，间距比为3 的次之，间距 比为1 的最 小 ，总体上Nu 相差不大 ，问距 比对 内置左右旋螺 旋叶片转子换热管的传热性能的影响不明显 。 2 ) 间距 比为 1 的 内置左右旋螺旋 叶片转子换 热管的厂 最大，间距比为2 的次之，间距比为3 的最 小 ，厂 随间距 比的增大而减小 。 3 ) 间距比为3 的内置左右旋螺旋叶片转子换热 管的综合性能最高 ，间距 比为2 的次之 ，间距比为1 的最低 ，其综合性能随间距 比的增大而提高。 符号说明 换热器换热面积，m 2 冷流体定压比热容 ，k J ( k g ) 热流体定压比热容，k J ( k g o C) 管程当量直径，m 管程直径，m 阻力系数 管程对流换热系数，w ( i n 。 K) 总传热系数 ，W ( Il l K) 转子间距 ，m 换热管长度，I i l 管程流体质量， 壳程流体质量， 努塞尔数 普郎特数 管程进 出口压差 ，P a 冷热流体的平均换热量，k J 冷流体吸热量，k J 热流体放热量，k J 雷诺数 间距 比 转子长度，1T I 管程进 口温度， 管程出 口温度 ， 壳程进口温度 ， 壳程出口温度， 管程流体流速，m s 导热系数 ，W ( m K) 管程流体密度 ，k g m3 参考文献 【 1 Hu a n g We O u n ，D e n g Xi a n h e ，F u He q i n g Nu me rica l A n a l y s i s o nHe a t T r a n s f e r A u g me n t a t i o ni nRi b R o u g h e n e d S u r f a ce J 包装工程 ，2 0 0 6 ，2 7( 4 ) ：1 2 01 2 1 1 2 j Zh a n g Z h e n g g u o，Xu T a o，F a n g Xi a o mi n g E x p e r ime n t a l S t ud y o n He a t T r a n s f e r En h a n ce m e nt o f a He l ica l l y Ba ffl e d He a t Ex ch a n g e r Co mb in e d wit h Th r e e Dime n s io na l F in n e d T u b e s J A p p l T h e r ma l E n g ，2 0 0 4 ，2 4( 1 4 1 5 )：2 2 9 3 2 3 0 0 1 3 j Z h o u S u ih o n g ，De n g Xi a n h e ，Xu We i N u me r i ca l S i mu l a t i o n o f He a t T r a ns f e r En h a n ce me n t b y T wis t e d Le a f in S h e l l S ide o f S h e l l a n d T u b e He a t E x ch a n g e r J 陕西科技大学学报 ， 2 0 0 7 ，2 5( 2 ) ：4 24 6 4 王娜，邓先和，张连山， 等 自 然对流垂直管内插旋流片的强 化传热研究 J 石油化工， 2 0 1 3 ， 4 2 ( 1 0 ) ：l 1 1 7 1 1 2 2 5 李 月 ，丁玉梅 ，杨卫 民内置转子 组合式 强化 传热装 置换 热管内流体流动与传热数值模拟 J j 石油化工，2 0 0 9 ，3 8 ( 9 ) ：9 7 99 8 3 1 6 Z h a n g Z h e n，Y a n g We i mi n，Gu a n C h a n g f e n g ，e t a 1 He a t T r a n s f e r a n d F r ict io n Cha r a ct e r is t ics o f Tu r bu l e n t Fl o w T h r o u g h P l a i n T u b e I n s e r t e d wi t h R o t o r As s e mb l e d S t r a n d s l J J E x p T h e r ma l Fl u idS ci， 2 01 2， 3 8： 3 33 9 7 j Z h a n g Z h e n ，Y a n g We imi n，Gu a n Ch a n g f e n g ，e t a 1 He a t Tr a n s f e r E n h a n ce me n t in a T u b e F it t e d wit h He l ica l Bl a d e Ro t o r s wi t hG r o o v e s l J j E x pT h e r ma l F l u i dS ci ，2 0 1 3 ，4 8 ：1 6 91 7 6 1 8 J Z h a n gZ h e n ，Y a nHu a ，Y a n gWe i mi n ，e t a 1 H e a t T r a n s f e r En h a n ce me nt in t h e T u b e F iRe d wit h Le ft Rig h t He l i ca l Bl a d e R o t o r s J A p p l T h e r ma