（化工过程机械专业论文）换热管内置直齿扭带的阻力与传热特性研究.pdf

换热管内置直齿扭带的阻力与传热特性研究 摘要 本实验以厚度为o 4 8 m m 的铝板为材料，采用1 2 根不同结构参数的直 齿扭带，通过进行冷态与热态实验，采集数据，分析研究直齿扭带的阻力 特性与传热特性。 首先，实验研究了冷态下，换热管内置直齿扭带后，引起的管内压力 降和摩擦阻力系数的变化。实验结果表明：换热管内置直齿扭带较空管阻 力系数提高了约1 2 4 书6 8 ；扭带宽度、扭转比和齿距是影响管内压力 降和摩擦阻力系数的主要因素；随着扭带宽度的增加，扭转比以及齿距的 减小，管内压力降和摩擦阻力系数则逐渐增大。此外，通过冷态实验数据 推导出了压力降和摩擦阻力系数的实验关联式，并得到实验结果的验证。 其次，实验研究了热态下，换热管内置直齿扭带后，引起的总传热系 数和努塞尔系数的变化。实验结果表明：换热管内置入直齿扭带后，其总 传热系数较空管提高了约2 0 9 7 4 1 ，努塞尔系数提高了约1 3 1 7 0 。 扭带宽度、扭转比和齿距是影响传热系数和努塞尔系数的主要因素；随着 扭带宽度的增加，扭转比以及齿距的减小，总传热系数和努塞尔系数则逐 渐增大。此外，通过热态实验数据推导出了总传热系数和努塞尔系数的实 验关联式，并得到实验结果的验证。 最后，对直齿扭带的强化传热综合性能进行了评价，以性能指标 ，堕1 ，f 鱼1 l ，作为评价因子。实验结果表明：所有实验直齿扭带的性能评价因 k 砧o l 氕 予矽 1 1 7 。这意味着实验中所有直齿扭带都具有强化传热推广价值。直齿 扭带在低雷诺数下都具有较好的综合强化传热性能，随着雷诺数的增加， 其综合强化传热性能逐渐增加但逐渐趋于平坦。此外，推导了评价因子的 实验关联式。 关键词：强化传热直齿扭带阻力特性传热特性 i i e x p e r i m e n t a lp r s e a r c ho nh e a tt ran s f e r a n df l o wr e s i s t a n c ec h a r a c t e l u s t i c so f h e a tt r a n s f e rt u b ew i t hj a g g e d t w i s t e d t a p e s a b s t r a c t i i l 仳se x p e r i m e n t ，a l u m i i l u mb o a r d sa r ec u ti n t od i 毹r e n tw i d mt om a l 【e i n t ot w e l v eja g g e dt w i s t e d - t 印ew i ld i f i e r e n ts t m c t u r ep a r a m e t e r s 田咖曲t h e c o l ds t a t ee x p e r i m e n ta n dt l l eh e a ts t a t ee x p e r i m e n t ，t h ea u t h o rg o tv 撕o u s e x p 耐m e n t a ld a t at oa n a l y s i st 1 1 eh e a t 仃a 1 1 s f e ra i l df l o w r e s i s t a n c ec h 娥眦e r i s t i c s o f j 艇曙e d 觚i s t e d - t 印e f 砥t ，t 1 1 ea l l t h o rs t u d i e dt h ec h a n g e so f t 1 1 ep r e s s u r ed r o p 觚dm e 衔c t i o n a l r e s i s t a l l c ec o e 伍c i e n tb yt h ec o l ds t a t ee x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o 、dt l l a t r e s i s t m c ec o e 所c i e mi n c r e a s e db y12 4 乡缸3 6 8 c o m p a r e dw i t hp l a i nt u b ea 1 1 d w i d m ，p i t c ha n dr e v e r s er a t i oa r em em a i nf a c t o r sw h i c hc h a n g e st l l ep r e s s u l e d r o p2 u l d l e 衔c t i o n a lr e s i s t a l l c ec o e 伍c i e n t t h ee x p e r i m e n ta l s or e v e a l e dt h a t l ep r e s s u r ed r o p 趾dt l l e 衔c t i o n a lr e s i s t a n c ec o e m c i e n ta r ei n c r e a u s i n gw i t l lt 1 1 e w i d t l lg e t t i r 冯b i g g e ro rm ep i t c ha n dr e v e r s er a t i og e t t i n gs m a l l e r e x c e p tt h a t t 1 1 ea u l o ra l s od e r i v a t e l ee x p e r i m e n t a le q u a t i o i l so fp r e s s u r ed r o pa i l d m c t i o n a lr e s i s t a n c ec o e 伍c i e n t 砌c hh a v eb e e nv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t 1 i i s e c o n d ，m ea u m o r 撇l y s i st l l ec h a n g e so f t h et 砌h e a t 仃a n s f e rc o e m c i e n t a n dn u s s e l tc 0 e 伍c i e n tb yt 1 1 eh e a t 赋ee x p 舐m e n t t h er e s u l te x p r e s s e dt h a tm e t o t a lh e a t 衄l s f e rc o e 伍c i e n ti i l c r e a s e db y2 0 9 7 4 1 锄dm en u s s e l t c o e 伍c i e n ti i l c r e 弱e db y13 1 一7 0 c o r n p a r e dw i t l lp l a i l lt u b e i ta l s or e v e a l e d t l l a t l et o t a lh e a t 仃：m s f e rc o e 伍c i e n t 锄di m s s e l tc o e m c i e n ta r ei n c r e 嬲i i l gw i t i l l ew i d mg e t t i n gb i g g e ro rm ep i t c h 砒l dr e v e r s er a t i og e t t i n gs m a l l e r e x c e p t t l l a t ，t 1 1 ea u l o rd e r i v a t e dm ee x p e r i m e m a le q u a t i o n so ft l l e 删h e a t 仃a i l s f e r c o e 伍c i e n ta 1 1 dn u s s e l tc o e f f i c i e n t 、m c hh a v e b e e nv a l i l a t e db yt l l e e x p e r i ：m e 删r e s u l t l a s t ， t l l ea u m o re v a l u a r t e dm et o t a l嬲s e s s m e n tf o rh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tp e 墒册a n c eo fj a g g e d 俩i s t e d - t 印e 锄dc o m eu pw i ma sh e a t t r 2 m s f - e re d h a n c e m e n tf k t o r t h er e s u l t s h o 、v e d t h a tt l l eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tf a c t o r so fa l lt 1 1 ej a g g e d 似i s t e d - t 印ea r eb i g g e rn l 锄1 1 2 7 1 1 1 i s m e a n st 1 1 a ta l lm ej a g g e dt w i s t e d 叱巾e sh a v ev a l u e 嬲e l e m e n t so fe n h a n c e dh e a t t “m s f e r t h er e s u l ta l s or e v e a l e dn l a tm et o t a la s s e s s m e n tf o rh e a tt i 。a n s f e r e n h a n c e m e n tp e r f o 衄a n c eo f ja g g e dt w i s t e d - t a p ei sb e t t e ri 1 1t 1 1 el o wr e y n o l d s n 啪b e ra n di l l c r e a s 访gs l o w l yw i 血m er e y n o l d sm u n b e ri i l c r e a l s m g k e yw o r d s ：h e a tn 锄s f e re n h a n c e m e n t ；j a g g e d 僦i s t e d 一切p e ；r e s i s t a n c e c h 2 u r a c t e r i s t i c s ；h e a tn a j l s f e rc h a r a c t e r i s t i c s i v 换热管传热面积 自旋扭带宽度 换热管的内径 范宁摩擦系数 符号说明 意义 重力加速度 节距，自旋扭带旋转1 8 0 。的轴向长度 u 形管压差计水银液面读数差 总传热系数 u 型管压差计两测点之间各管件的阀门当量长 度之和 管件与阀门等局部阻力当量长度 换热管当量直径 实验扭带长度 流体对扭带施加的旋转力矩 扭带旋转阻力矩 自旋扭带转速 努塞尔数 雷诺数指数 普朗特数 置入直齿扭带后引起的压力降增量 置入直齿扭带后压力降增量 空管的压力降 v u i 单位或量纲 纲 o k n n 一一 纲 纲 纲 m m 一 m m m m m m h 一 一 一 h n h 褐 彳 d 西厂 g 日 蚰 k乳乞 以 三 m 吩 腮 m p 厅 印 锄 舰 换热管的热负荷 污垢热阻 饱和蒸汽的冷凝潜热 雷诺数 饱和蒸汽温度 直齿扭带厚度 流体进口温度 流体出口温度 对数平均温度差 流体管内平均流速 流体轴向流速 意义 流经换热管的体积流量 给热系数 管内给热系数 管外给热系数 单位面积上的剪应力 扭带倾角 摩擦阻力系数 流体粘度 流体密度 强化传热综合评价因子 单位或量纲 w 朋2 k 矿 瑰 一 m 眺 ； 舶 一 一 一 h m 一 w 一 船 q 足 r 胎 r ， 乞 钣 越 y 口 f 彳 p 妒 髫目管内置l 齿扭带的阻力与传热特性研究 1 1 研究工作的背景及意义 第一章绪论 能源是国民经济发展的动力，是发展生产力和提高人民生活水平的物质基础。“能 源开发与节约并重，把节能放在优先地位 是我国基本的能源政策，“节约优先，效率 为本 是解决我国能源问题的根本途径【1 1 。从常规能源的问题来看，我国是世界上拥有 丰富能源资源的国家之一，位居世界第三。但我国人口众多，按人均计算的可开采储量 低于世界平均水平，仅相当于世界平均水平的1 2 ，美国的1 1 0 。可见，我国的能源资 源并不丰富f 2 1 。 我国既是能源生产大国，也是能源消费大国。当前，在我国工业生产过程中，许多 企业节能技术落后，设备能耗较高，工艺流程不尽合理，节能管理不够完善，从而造成 了工业生产能源消耗巨大，能耗利用率低，由此而引起的环境污染和生态破坏问题比较 严重f 3 5 。 随着全球能源形势的日趋紧张，常规能源的日益减少，节能降耗越来越受到人们的 重视。我国明确提出，在“十二五 期间单位g d p 能源的消耗要比“十一五 期末低 2 0 【6 l ，为此全国各行各业广泛开展了“节能降耗 工作。换热器在工业生产中是调节 工艺介质温度以满足工艺需求以及回收余热以实现节能降耗的关键设备，其换热性能和 动力消耗关系到生产效率和节能降耗水平，其重量和造价决定了整个生产系统的投资 【7 引。因此，换热器的强化传热、降低流阻以及提高综合性能一直是国内外科研人员和 工程技术人员的研究热点，也取得了大量科研成果【9 4 2 1 。 1 2 强化传热的途径 热量传递的基本方式有三种即：热传导、对流和辐射【1 3 1 。工程中换热设备的传热过 程常常是两种或三种传热基本方式同时使用【1 4 6 1 ，但一般以对流传热方式为主，涉及面 最广，研究最多的也是对流传热。由管式换热器的传热速率方程式： q = 尉乙 ( 1 - 1 ) - ，肌 可知，换热器的总传热量与总传热系数、总传热面积和平均传热温度差成正比。因此， 强化对流传热可以从三种途径入手：一是增加总传热面积a ；二是增大平均温差乙； 三是提高换热器总传热系数k ，即减少总传热热阻。 增加总传热面积a 是提高换热器总传热量的最简单而有效地途径。但简单的增加换 热管数，换热管的体积也相应增大，从而造成制造成本提高，所以这并不是理想的选择。 增大平均传热温差乙的方法有两种：一种是增大冷、热流体的进出口温度。但工 换热管内置直齿扭带的阻力与传煮寺性研究 程实际中冷热流体的种类及其温度常受到生产的要求及经济性等限制，不能随意变动， 加热工质温度的选择还受到被加热物料性质的限制，也不可能选得过高。因此，当冷热 流体的进出口温度一定时，常采用另一种方法，即利用不同的换热面布置来改变平均传 热温差。例如，换热面布置尽可能使冷热流体相互做逆向流动，此时平均温差最大。 提高换热系数k 是强化传热的最主要途径。由总传热热阻的计算式： ! ：! + 鱼+ 土+ j i c( 1 2 ) 一= 一+ 一十一+ l - 三j k h l j l h l 可知，提高管程、壳程的对流传热系数忽、吃；采用导热性更好地材料和除垢措施减少 污垢热阻，都可以提高总传热系数k 。一般管壁的导热热阻和污垢热阻远小于对流传热 热阻，因而总传热系数k 主要还是由决定，同时提高管程、壳程的对流传热系数危、吃， 尤其是提高二者中数值相对较小一侧的对流传热系数，其强化效果更明显。 1 3 强化对流的物理机制 ( 1 ) 破坏或减薄流体速度边界层 。 按照普朗特的边界层理论，由于固体壁面的阻力和流体的黏滞作用，当流体主流达 到充分发展以后，只有边界层内存在速度梯度。即从壁面过渡到主流区的边界层内，流 体多处于层流状态，因而边界层内的对流传热状况较差，有时甚至以导热为主。因此， 破坏或减薄流体速度边界层必然能有效地强化传热。其方法有：一是提高流体流动的雷 诺数r e 、提高流体的普朗特数p r ；二是采取措施阻止边界层充分发展，如把管内壁做 成周期性的凹槽或凸肋不断破坏边界层的形成。 ( 2 ) 促使或加剧液体湍动 流体在较低的流速下，流动处于层流状态，边界层充分发展变得较厚，这都不利于 对流传热。在流道壁面采用粗糙表面或加装扰流物，均可提高流体流动的湍流度，尤其 是粗糙表面可增加近壁区流体的湍流度，减薄层流底层厚度。因此，流体主流的湍动加 强，特别是边界层变薄和湍流化，是强化传热的根本方法。 ( 3 ) 减薄热边界层 流体的热边界层与速度边界层具有类似的性质，流体的速度边界层变薄即边界层速 度梯度增大，使得热边界层也变薄；流体流速越大，热边界层厚度越薄，边界层热阻也 越小，对流传热强度越大，流速与换热强度基本上呈线性关系。因此，提高流速是强化 传热的常用方法，但是流速的提高也导致摩擦阻力的迅速增大，因此要综合考虑流阻功 耗。 1 4 对流强化传热的技术分类 对流换热的强化技术按其强化方法是否需要附加动力源来划分，可以分为有源强技 2 广西大胄明炙士爿q 立论文 换热管内置直齿扭带的阻力与阡量煮旧争性研究 术和无源强化技术两大类。有源强化技术必须依赖外加的机械力或电磁力的帮助；而无 源强化技术则除了传送传热流体介质的功率消耗外，不再需要外部附加动力。 1 4 1 有源强化技术 有源强化技术常见的有：电磁场法【1 7 l 、静电场法【他l 、传热表面振动法【1 9 l 、射流冲 击法、喷射或吸出法、机械搅拌法等。但有源强化技术都需要附加动力设备，由此 带来的能源消耗可能在经济上显得得不偿失。因此，有源强化传热在大规模推广上一直 受阻。而本文的重点将主要放在无源强化技术上。 1 4 2 无源强化技术 ( 1 ) 粗糙表面法 直接在传热表面上，用机械加工或电化学腐蚀等方法制作出许多形状各异的粗糙 元，包括从随机的砂粒型粗糙度，到不连续的凸起物等各种构造形式所构成的粗糙表面。 这类表面主要用于强化单相流体的紊流换热。这类技术的典范有：螺旋槽管【2 l 】、旋流管 【2 2 1 、缩放管【2 3 1 、波纹管【2 4 1 、针翅管【2 5 j 、横纹槽管f 2 6 】等； ( 2 ) 特殊处理表面法 利用烧结方法、机械加工或电化学腐蚀方法，将传热表面处理成多孔表面或锯齿形 表面等，用于强化沸腾和凝结换热过程。 ( 3 ) 扩展表面法【2 弘2 9 j 顾名思义，扩展表面法就是通过增大换热面积来增加换热量。例如，在金属圆管的 内、外侧壁面上设置翅片，分别称为内翅片和外翅片，除可增加换热面积外，还可提高 传热系数。当换热管一侧是气体，一侧是液体进行强制对流换热时，最常用的强化手段 是采用扩展表面处理法。扩展表面不论对紊流换热还是层流换热都有显著的增强换热作 用。 ( 4 ) 添加物法【3 0 ，3 1 l 为了满足生产或工程上的需要，对换热过程中的流体工质，故意加入某种固体颗粒 或者液体或者气体的添加物，以达到增强传热的目的，这类强化称为添加物法。包括在 单相液体介质中加入固体颗粒或在沸腾系统中加入微量液体添加物；在气体传热介质中 加入固体微粒或雾状液滴。从应用上说，气体的添加物应用较多，而添加剂用于强化液 体的传热效果并不显著。 ( 5 ) 扰流装置法【3 2 埘j 用插入物强化管内单相流体传热，尤其是对强化气体、低雷诺数流体或高黏度流体 的传热更有效。常见插入物有：螺旋线、扭带、错开扭带、螺旋片和静态混合器等，各 种插入物强化传热的机理是利用插入物使流体产生径向流动，从而加强流体的混合，获 得较高的对流传热系数。这也是本文接下来将重点介绍的强化传热方法。 3 换热管内重直齿扭带的阻力与传煮分性研究 1 5 管内插入物技术 管内插入物技术是最方便的一种强化传热技术，它的最大优点是，适合旧换热器的 改造设计，且加工制造方便，可避免额外增加换热器，大大节省投资。更值得一提的是： 有助于清除管内污垢，这是其它强化传热技术所无法比拟的。特别是目前随着太阳能集 热器的广泛使用，由于水中泥沙、胶体等的沉积，使污垢越来越多，严重影响换热，而 使用管内插入物，既可达到强化传热的目的，又能起到清除污垢的作用。 1 5 1 扭带【了7 ，3 引 扭带作为内插件来强化管内传热的研究已有一个多世纪。它是一种制造简单，可以 使流体旋转通过流道的旋流发生器。扭带插入管内后，可使流体产生旋转流动和二次流， 这是一种强制漩涡和轴向流动叠加而成的运动，可产生连续不断的涡流，在离心力的影 响下使管中心流体和壁面流体充分混合，减薄层流底层，使壁温降低，并使轴向速度场 均匀化，达到强化传热目的。旋转扭带兼具污垢在线清洗和强化传热双重功效。一般来 说对层流区高黏度流体比较有效，在强化紊流区时，效果较差。 图1 1 扭带的结构示意图 f i g 1 - 1s 仃u c t u i i eo f t w i s t e dt a p e 1 5 2 静态混合器3 9 ，4 0 】 上个世纪6 0 年代末期，由荷兰人首先提出了一种新型化工单元设备静态混合 器。它没有运动部件，依靠设备的特殊结构和流体的运动，使互不相溶的液体各自分散 并彼此混合，从而达到良好的混合效果。静态混合器是一种传质设备，特别适宜于液一 液混合。自其问世以来，已有数十种不同结构的静态混合元件投放市场。主要型式有 丑岍c s 型、s x 型、s v 型、s h 型、s k 型等等。其强化传热机理是破坏边界层并产生 弥散效应。 图1 2l ( i 粥i c s 型静态混合器 f i g 1 - 2k e n i c ss t a t i cm i x e r 1 5 3 螺旋线圈和螺旋弹簧【4 1 4 2 l 与扭带具有同样研究历史的管内强化换热技术是在管内插入螺旋线圈或者螺旋线， 即把金属丝以一定的螺距绕在一根轴心加工而成，它和螺旋弹簧的作用机理相同，只是 4 广西大国朗页士掌位论文 鲴q 鼬管内置，h 膏扭带的阻力与传热特性研究 弹簧每圈都密实排列，而螺旋线圈要稀疏的多。这类插入物能使流体边界层产生二次扰 动，增强流体的湍动程度，促进流体主体与层流底层流体的混合；同时也使流体在流动 方向上产生一定的旋转，从而产生离心力，在传热面处形成较高的剪切力，破坏层流底 层，降低热阻，达到强化传热的目的。 图1 3 螺旋线圈 f 嘻l - 3w 油c o i l i n s e n s 图1 - 4 螺旋弹簧 f i g 1 - 4h e l i ) 【s p 血gi i l 咖e lt u b e 1 5 4 绕花丝内插物【叫 绕花丝内插物是由几组相同的线圈环绕同一中心轴线扭转而成，形成一种特殊的 多孔体。流体在多孔体内流动，可迫使流体分子微团在传热和流动方向上不断做复杂 的三维宏观混合流动，产生弥散效应。清华大学对绕花丝内插物强化管内空气对流换热 进行了实验研究，结果表明绕花丝内插物同时具有径向混合、螺旋流、扩展表面和粗 糙表面的作用，使临界的雷诺数大大降低，诱发湍流，存在最佳结构参数使阻力增加 较小，而强化传热效果最好 图1 - 5 绕花丝内插物 f i g 1 - 5s n l l c t 叫旧o fw i n df l o 、v e r i r 喇 1 5 5 片条插入物和斜环片【“】 片条插入物由日本早稻田大学提出，它的有效工作部分是倾斜的翅片，起到扰流强 化传热作用。中石化北京院【4 5 】将这种插入物用于炼油厂空冷器的管内强化。斜环片则 是片条插入物与圆环二者的结合，将圆环4 5 度角放置可以使通过圆环后的高速流体冲 击管壁，两个环之间的斜片则对流体进一步扰动消除低r e 数下斜环前后出现的停滞区。 其传热系数为光管的3 5 倍，阻力为光管的1 啦3 0 倍。 图l _ 6 片条插入物 f i g 1 - 6p i e c eb 缸i 砸e r t s 图1 7 斜环片 f i g 1 - 7o b l i q 血g 1 5 6 交叉锯齿带f 伽4 8 l 由华南理工大学提出，针对高黏度流体的一种强化传热元件，强化传热效果非常好。 这种插入物由两条相互垂直交叉的锯齿形斜片构成，其强化传热机理是使管中心处流体 与管壁处流体产生置换和混合作用，是一种置换型的强化元件。 5 广西大鲁昀甄士掌位论文扫漱管内置直齿扭带的阻力与传害妇寺性研究 图1 8 交叉锯齿带工作原理示意图 f i g 1 - 8p 血c i p l eo fc r o s sj a g g e dt w i s t e dt a p e 1 5 7 液轮机1 4 9 】 液轮机是由广西大学开发的专利发明，在一根空心钢管上点焊螺旋叶片环绕而成。 管内插入液轮机后，漂浮在液体之中，在流体推动下旋转，流体被迫做旋转流动，同时 转子不断刷洗管内壁面，这种插入物兼有除垢和强化传热效果。其总传热系数较空管平 均提高了约5 2 。 1 6 研究课题简介 1 6 1 课题来源 本课题是基于广西自然科学基金( 桂科青0 4 4 7 0 0 5 ) 微型液轮机强化传热研究， 广西大学自然科学基金一换热管内液轮机工作特性研究上开展的。 1 6 2 课题开展 课题开展前期，进行了系统的专业知识学习，对课题开展的方法和所需的知识进行 了积淀和储备；通过查阅国内外文献，了解自己所研究领域在国内外的发展状况和研究 成果，进一步明确了课题的研究方向。在前期探索的基础上，提出了课题开展的方法， 通过现有的水力实验设备和测量仪器进行测量和试车，验证了实验的可行性。在此基础 上，进行了大量的冷态实验和热态实验。通过冷态实验，研究了换热管内插入直齿扭带 后的转动特性和阻力特性，分析其在除垢方面的潜在价值；通过热态实验，研究了换热 管内插入直齿扭带后的传热特性，分析其综合强化传热性能；通过实验建立了与直齿扭 带结构因子相关的阻力系数关联式和传热系数关联式，对实际生产应用提供了一定的理 论指导。 1 6 3 课题工作 ( 1 ) 以厚度为0 5 i 姗的铝板为原材料，按照实验设计需要预先切割成不同宽度的铝条， 做为直齿扭带的制作材料；借助实验设备，半手工扭制各种不同型号的扭带，然后用剪 刀在扭带上开出直齿，最后根据实验管的长度将直齿扭带用连接环串连、静置，留待实 验： ( 2 ) 应用现有的热工水力实验设备回路，分别进行冷态和热态实验；通过冷态实验采 集数据，用以分析直齿扭带的阻力特性与转动特性；通过热态实验采集数据，用以分析 6 广西大奄包硕士掌位论文 舅q & 管内置，l 齿扭带的阻力与传期旧寺性研究 直齿扭带的传热特性。 ( 3 ) 应用m a t l a b 和e x c e l 对实验数据进行整理、分析、拟合、试差等，得出直观反映 直齿扭带阻力特性与传热特性规律的图表； ( 4 ) 针对图表规律，进行一般的设想，采用量纲因次分析及多元线性回归，推导出了 实验状态下的一些阻力特性关联式和传热特性关联式。并对最终成果给出了评价。 7 广西大学訇仕掌位簧瞄 扭 热管内量直齿扭带的阻力与传妻明謦性研究 第二章实验准备及注意事项 2 1 实验装置及流程简述 实验装置如图2 1 所示，实验段的换热管是一根直径为4 2 2 5 所掰、长为3 m 的无 缝钢管，管内工质为自来水。实验流程为：蓄水槽中的水，由水泵输出流经电磁式流量 计、调节阀，再经过一上行管路后进入装有直齿扭带的实验管路，最后排出。冷态实验 中，工质流量由i f m 4 0 8 0 f 电磁流量计直接测出，通过调节阀来调节流量；实验段的直 齿扭带上下两端贴有反光镜片，通过透视镜，由型号为s z g 4 4 1 b 手持式转速测量仪测 出直齿扭带转速；试验段压降则由u 型管水银压差计得出；热态实验中，实验管壳程的 饱和蒸气由d z f 电蒸汽发生器提供并从上端输入；进、出口温度及壳程温度由温度计 直接读出。 1 蓄水槽2 水泵 3 电磁流量计 4 调节阀 5 精密压力表 6 换热管7 视镜8 温度测量计9 u 型管压差计1 0 电蒸汽发生器 图2 1 实验设备流程图 f i g 2 1p r o c e s s0 fe x p 丽m e n t 2 2 直齿扭带的结构及参数 本实验采用的扭带为铝制扭带，厚度为o 4 8 删 n ，长约3 m ，为了保证结构的匀称性， 扭带采用了分段连节。铝制扭带具有密度小，加工易成形，且具有耐腐蚀好的优点，在 实验条件下，扭带形状持久，结构稳定，保证了实验的准确性。直齿扭带的主要结构参 数为齿距h 、扭转比y ( y - h d ) 和扭带宽度d 。其结构示意图如图2 2 所示： 8 广西大掣钮曩士葺q 立论文 舅q & 管内置直齿扭带的阻力与传热特目| 穹f 究 图2 2直齿扭带的结构示意图 f i g 2 2s 加l 曲l 陀o f j a g g e dt 、】v i s t e dt a | p c 本次实验，齿口的统一宽度为1 0 蚴，深度为5 i m n ；为了有效地进行对比研究，本次实 验采用了1 2 种不同规格的扭带，扭带编号为d y ，d 为带宽，y 为扭转比，实验中所 用直齿扭带规格见表2 1 ，。 表2 1 直齿扭带结构参数表 5 0 6 o 7 o 1 8 5 o 1 8 6 0 1 8 7 o 2 0 5 0 2 0 - 6 h 、2 0 一6 h 2 、2 0 石h ，4 2 0 一7 o 2 2 5 0 2 2 - 6 0 2 2 7 0 2 3 直齿扭带的制作 本实验中的直齿扭带材料为长3 m ，宽1 m ，厚o 4 8 n 1 i n 的铝板。铝制材料容易加工 成型，且在实验中变形较小，不易腐蚀，因而保证了实验数据的准确性。直齿扭带的加 工步聚如下： ( 1 ) - 将铝板交给专门的切割工厂，裁成长为3 m 、宽度为1 8 2 2 m m 不等的铝条； ( 2 ) 在实验室将铝条进一步裁剪成长为1 m ，宽为1 8 2 2 n u n 不等的铝条，并将同一宽 度的铝条归好类； ( 3 ) 将扭带的两端固定在夹具上，夹紧扯平，并保持两端在同一水平线上； ( 4 ) 两个同学负责拉紧夹具，力度要适中，以免用力过度将扭带拉断，这个可以通过 多做几根实验掌握好力度；一个同学负责旋转把柄，旋转时要先快后慢；一个同 学负责用量尺随时跟踪旋转过程中扭带的节距长度，一般来讲：当节距比期望值 短上1 0 1 5 i 砌时，就可以叫停，因为扭带在失去拉紧力后会有一个解旋过程， 节距会增长，正好达到期望值。 ( 5 ) 扭带制做出来后，先在其两端标出打孔标记，最好用钉子扎出一个小凹槽，这样 做比较方便随后的钻头定位，不易出现打滑钻偏；将扭带放在摇臂钻床上打孔； ( 6 ) 用剪刀在扭带上定距离开齿，齿宽为1 0 皿n ，齿深为5 i 衄，然后用尖嘴钳将矩片 折出，使其与扭带面成9 0 度角。 ( 7 ) 直齿扭带制出后，将同一宽度的三根扭带做为一组串起来，然后悬挂在空中，下 9 广西大国明页士鼍巴1 立葭咒定换热管内置直齿扭带的阻力与传期旧争性研究 面加上适重的吊坠用以拉直扭带，为其定型。一天之后，即可用其进行实验。 2 4 扭带的连接与支撑 2 4 1 扭带连接件 本实验换热管有效长度约3 m ，如果将整根扭带做成3 m 长度，很难保证结构的均 匀性，从而也影响到实验数据的准确性；因此，实验所用扭带，是由三根长为1 m 的扭 带串联起来。实验所用的连接件，如图所示，采用菱形连接件能起到自动矫正的作用。 图2 2 菱形连接件 f i g 2 - 2d i 锄o n dc 0 衄e c t i s 图2 - 3 菱形挂钩 2 4 2 扭带支撑环 本实验采用的是下行管路，因此，只需要为直齿扭带在换热管顶部提供可以悬挂的 支撑环即可。支撑环的结构如图所示，中间有小孔，方便菱形挂钩从中间穿过。小孔两 头应打磨光滑，以减少直齿扭带在旋转时挂钩处所带来的摩擦阻力。 图2 - 4 扭带支撑环 f i g 2 - 4s 仃u t t i n gl o o p 2 5 实验中常见问题及解决方法 2 5 1扭带出现褶皱及剪断 扭带出现褶皱主要是因为扭带在制作的过程中拉力不足造成，特别是对于宽度较大 的扭带，这一点更为明显。因此，在制作宽扭带时，加在扭带上的拉力要适当大点；扭 带在制作过程中，出现一头剪断，也是常见现象。主要是因为夹具一端受力不均，剪应 力过大造成。解决的办法是在夹具下面再垫上一个宽度跟扭带差不多的铝片，并将扭带 的一端放在上面。 2 5 2u 型管压差计两端出现气泡 1 0 换热管内置直齿扭带的阻力与传黉旧寺铝溷f 究 u 型管压差计两端出现气泡，是实验过程中常见的一种现象，通常是因为排气不彻 底，导致管内有残余气泡；它会导致压差计测量不准，从而影响实验数据的准确性。解 决的办法是拔出u 型管压差计两端的胶管，重新调零，然后在小流量下排掉胶管内空气， 并将两根胶管同时安插在u 型管压差计两端。 2 5 3u 型管压差计水银喷出 在实验初试阶段中，由于操作的失误可能会导致u 型管压差计中水银喷出，主要有 三个方面的原因：一是实验过程中压力过大导致胶管连接失稳，水银喷出；二是胶管出 现了老化皴裂导致水银喷出；三是u 型管两端胶管掷得不严实，在压力下脱离管口，导 致水银喷出；水银喷出后，应立即用大量清水冲洗沾有水银的设备和地面，并洒上硫粉。 停止实验一周，让水银在空气中挥发干净后，才能再次进行实验以防止中毒。解决的办 法：一是适当开大管内阀门减少压力；二是实验之前更换老化的胶管，消除隐患；三是 掷紧u 型管两端的胶管，避免松动。 2 5 4 实验过程中扭带静止不转 实验过程中出现扭带静止不转，可能的原因有二点：一是挂钩跟支撑环之间没有连 接好，导致卡环；二是扭带中间的菱形连接环没有连接好，卡在管内导致不转。解决的 办法，扭带在放入管内的时候要保持菱形连接环的顺畅，同时扭带不要出现打弯；扭带 放入后，应该用手指拔动一下支撑环上的挂钩，看看扭带旋转阻力是否较大，如果较大 的话，就要拿出检查重新安装一遍。 2 5 5 电蒸汽发生器水位计失灵 实验中，有时会出现水位计失灵，即水位计水位正常，但水位报警铃却响了。出现 这种情况的原因，一般是水位计两头的管内产生了污垢，导致管内阻塞引起水位不正常 显示。解决的办法，水箱加满水后，在停机状态将水位计两头的螺钉拆出，用细铁丝插 入进去搅拌，疏通污垢，让其随水流出。 2 5 6 实验中管内出现气泡 实验过程中管内出现气泡，是实验常见现象，通常是因为排气不彻底造成，也有可 能是因为实验管路中某处露气。一旦出现气泡，则必须停机，重新进行排气后，再进行 实验。 广西大国醣炙士胄巴1 叟嵌赶换热管内置，【齿扭带的阻力与订专童旧争a 月f 究 第三章换热管内置直齿扭带的阻力特性研究 冷态实验的研究主要解决的是：换热管内置入直齿扭带后所引起的阻力变化及摩擦 系数的变化，同时考查其转动特性，为工业应用提供参考价值。 、 3 1 冷态实验步骤 ( 1 ) 拆开上封头，将直齿扭带置入管内，用手拔动挂钩查看阻力是否较大，若阻力不 大，则表示安装良好，装上封头；若阻力较大，则拿出检查，重新安装。 ( 2 ) 启动抽水泵，打开主阀门，然后将上封头排气管的夹子松开，进行排气。排气过 程持续3 5 分钟，当从视镜中看不到管内产生气泡时，可以停止排气，并将排气管重新 夹好。 ( 3 ) 将水流逐渐调小至零，松开u 型管压差计两端胶管上的夹子；此时，若u 型管内 二根水银柱齐平，则可以进行后续实验；否则，要进行重新调零。 ( 4 ) 水流量从0 肌3 办开始记录，每次增加o 2 5 脚3 办的流量，一直增加到5 历3 办。每 次读取数据时，需等到流量稳定，扭带转动均匀时再读，以保证读数的准确。记录下每 一个流量中直齿扭带的转速、压差和流量。 ( 5 ) 当水流量达到5 所3 厅时，每次递减o 2 5 历3 j l 的流量，一直到水流量为0 肌3 办。 做好相应每个点的读数工作，并记录下直齿扭带停转时的流量。 ( 6 ) 水流量回到0 所3 办后，将u 型管两端的胶管夹上，让抽水泵停机，打开排水阀排 水，拆出直齿扭带，进行下一根的实验。 3 2 冷态实验中相关参数的介绍与计算 3 2 1 换热管内流体的流速 y “= 3 6 0 0 s 式中l 广一换热管内流体的轴向平均流速，m s 卜换热管内流体的单位时间流量，棚3 忍 卜换热管的流通截面积，朋2 s = s l s 2 s 换热管的管程截面积，所2 & 铝制直齿扭带的截面积，朋2 s = 三砰 1 2 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 广西大砻昀i l 士掌位论文 换热管内置l 齿扭带的阻力与传煮旧分性研究 4 换热管内径，0 0 0 3 7 m s 2 = d f 式中伊铝制直齿扭带的带宽， o 0 18 o 0 2 2 m f 铝制直齿扭带的厚度，5 1 0 - 4 m 由于t 很小，计算s 时，s ：可以忽略，所以s = s ( 3 4 ) 3 2 2 换热管当量直径 当换热管内插入直齿扭带后，换热管的截面形状已经不是圆形，其直径也应该转化 为当量直径吃。根据文献例，对于非圆形截面的管子其当量直径计算式为： 以：竺 ( 3 5 ) i i 式中s 管道截面积，所2 n 浸润周边，m = 磁+ 2 d + 办 ( 3 6 ) 表3 1 不同宽度道齿扭带的当量叵径 仉出l e 3 - 1e q u i v a l 即td i 锄e t e ro f j a g g e dt 州s t e d t a p ei nd i 行i e r e n tw i d t l l 直齿扭带宽度功f m当量直径d 。m 直齿扭带宽度d m 当量直径d 。m p l a i n 0 0 3 7 0 0 2 00 0 2 7 0 9 0 0 1 80 0 2 7 8 3 0 0 2 10 0 2 6 7 4 o 0 1 90 0 2 7 4 6o 0 2 2 0 0 2 6 4 0 3 2 3 阻力损失 化工管路主要由二部分组成：一种是直管，另一种是弯头、三通、阀门等各种管件。 无论是直管或管件都对流动有一定的阻力，消耗一定的机械能。直管造成的机械能损失 称为直管阻力损失( 或称为沿程阻力损失) ；管件造成的机械能损失称为局部阻力损失； 沿程阻力损失与局部阻力损失相加即为总阻力损失。实验中流体总阻力损失是通过换热 管的压降p 来反映： 卸= ( 他一砌，d ) g a 办 ( 3 7 ) 式中卸换热管两端的压力降，p a ； 他水银密度，常温下取1 3 5 9 5 1 堙册3 ； 幽_ i ，型管水银压差计两端液面读数差，m ； g 重力加速度，取9 8 1 小s 2 ； 3 2 3 1 沿程阻力损失 对于沿程阻力损失，无论是层流还是湍流，都可以用下式表示，以便于工程 1 3 换热管内j l ，l 齿扭带的阻力与传寡寺伊国f 究 计算： - “乏蓦 ( 3 - 8 ) 式中办，单位重量流体流过，米距离时的沿程阻力损失，m ； 兄摩擦系数，无量纲； ，直管的长度，m ； 3 2 3 2 局部阻力损失 局部阻力损失是一个复杂的问题，而且管件种类繁多，规格不一，难于精确计算。 通常采用以下两种近似方法。 ( 1 ) 近似地认为局部阻力损失服从平方定律： 哆= f 等 ( 3 - 9 ) 式中孝为局部阻力系数，由实验测定； ( 2 ) 近似地认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管，即： 乃= 允专丢 式中乞为管件的当量长度，由实验测得； 本实验采用第二种方法，管件当量长度可以通过文献【5 0 j 查表确定； 在换热管入口法兰处： 假设流体因流通过面积突然缩小而造成的局部阻力损失为乙； 由d = 3 7 删呜d d = 1 2 ；可以查表确定= 0 4 2 m ； 假设流体因流通过面积突然扩大而造成的局部阻力损失为之：； 由d = 3 7 n l r i l ，d d = 1 2 ； 可以查表确定乞2 = ：o 7 2 m ； 因此，实验中总的局部阻力损失当量长度为：t = 乙+ 乞2 = 1 1 4 m 3 2 4 摩擦系数 由上文的介绍，对于实验中总的阻力损失可以用一个统一的式子表达： 纠( 孕垮 浯 由式( 3 _ 7 ) 、式( 3 - 1 1 ) 可以得到实验中摩擦系数名的计算式： 1 4 广西大d 炙士昔朝立簧汶换热管内置直齿扭带的阻力与传煮寺性研究 名：f 下娶型l ( 3 1 2 ) 肛f 豇向主刀 。1 z ) 式中五摩擦系数，无量纲； ，换热管长度，m ； t 管件当量长度，m ； 乞叫型管压差计两端点之间局部阻力损失的当量长度之和，m ； 3 2 5 雷诺数 在工程设计上，雷诺数是判定流动类型的依据。对管流而言，流动的几何尺寸( 管 径d ) ，流动的平均速度u 以及流体性质( 密度p 和粘度) 对流型从层流到湍流的转变 有影响。通过综合考虑以上因素，结合量纲因次分析，可以得到一个准数用以反映流体 粘性力与惯性力的相对大小即： r e ：鱼z 旦：竺：堡( 3 1 3 ) p h p 式中胎一雷诺数，无量纲； ，换热管内水的轴向平均流速，m s ； 吐置入自旋扭带后换热管的当量直径，m ； 砌，d 水的密度，堙埘3 脚，d 水的粘度，取常温下水的粘度值，1 0 0 5 l o - 3 尸口s 3 3 流体阻力特性分析 3 3 1 直齿扭带阻力降分析 由前面分析可知，粘性流体在换热管中流动产生了阻力损失，损失的大小可以通过 实验室中换热管两端的水银压差计液位差的大小来计算。为了直观对比和反映每种类型 的直齿扭带对阻力降的影响。我们选取了宽度d 分别为1 8 咖、2 0 咖、2 2 嘞，扭转比y 分别为5 、6 、7 的九根直齿扭带，绘制流速u 与压力降p 的关系图3 1 ；同时我们也选 取了宽度d 为2 0