内置开孔螺旋叶片转子换热管强化传热实验.pdf

化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3卷第 l 2期 C H E MI C A L I NDUS T R Y AN D E NGINE E R I NG P R OG R E S S 3 1 8 9 内置开孑 L 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 阎华 杨卫民 北 京化工大学机 电工程 学院 北京 1 0 0 0 2 9 摘要 以 6 0 甘油水溶液为管程介质 对内置不同孔径开孔螺旋叶片转子换热管过渡区传热和阻力特性进行了 实验研究 对光管性能进行了实验验证 以保证 实验结果的可靠性 同时 对比分析 了 转子开孔孔径对其强化 传热性能的影响 实验结果表明 内置 5 0 3 7 5螺旋叶片转子换热管努塞尔数比内置 S 0以及 S 0 2 5螺旋叶片 转子换热管的努塞 尔数分别高出9 5 和 2 1 左右 阻力系数高出 9 左右 而对于综合性能而言 内置 S 0 3 7 5 螺旋叶片转子换热管的综合评价 因子大于内置 S 0螺旋叶片转子换热管的综合评价因子 内置 s 0 2 5螺旋叶片 转子换热管综合评价因子最小 综上可得 较大直径的开孔能提高转子的综合性能 但是较小直径的开孔反而 会 减弱转子的强化传热 综合 性能 关键 词 转子 孔径 比 努塞 尔数 阻力 系数 综合评价 因子 中图分类号 T K 1 7 2 文献 标志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 4 1 2 3 1 8 9 0 5 D oI 1 0 3 9 6 9 is s n 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 4 1 2 0 1 0 Ex pe r im e nt a l s t ud y o n he a t t r a ns f e r e n ha nce me nt o f t u be s ins e r t e d wit h r o t o r s wit h ho l e s H E C h a n g i a n g GU A NC h a n g f e n g Z H A N G Z h e n HEL i ch e n Y A NHu a Y A N G W e im in S ch o o l o f Me ch a n ica l a n d E l e ct r ica l E n g i n e e r i n g B e i j i n g Un 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 Abs t r a ct Ex pe r ime n t s we r e co n du ct e d t o s t ud y t h e he a t t r a n s f e r a nd f r ict io n f a ct o r o f t h e h e a t t r a ns f e r t u b e i n s e r t e d wit h r o t o r s wi t h d if f e r e n t h o l e s A 6 0 g l y ce r in s o l u t io n wa s u s e d a s t u b e s i d e WO r k in g flu id in t h e t r a n s it io n r e g io n I n o r d e r t o e n s u r e r e l ia b il i t y o f e x p e r i me n t a l r e s u l t s p l a in t u b e v a l id a t io n e x p e r ime n t s we r e a l s o co n d u ct e d M e a n wh il e t h e e f f e ct s o f h o l e o n h e a t t r a n s f e r e n h a n ce me n t o f t h e r ot or s we r e inv e s t ig a t e d Th e Nu s s e l t n umb e r of t he t ub e i ns e r t e d wit h S 0 3 7 5 r o t o r s in cr e a s e d bv 9 5 a n d b v 2 1 t h a n t h e Nu s s e l t n u mb e r o f t h e t u b e in s e r t e d wi t h n o r ma l r o t o r s a n d r o t o r s wit h h o l e o f 3 mm d ia me t e r r e s p e ct iv e l y I t s frict i o n f a ct o r in cr e a s e d b y a b o u t 9 t h a n t h e f r ict i o n f a ct o r o f t h e t u b e i n s e r t e d wi t h S 0 r o t o r s a n d S 0 2 5 r o t o r s Th e P EC v a l u e o f t h e t u b e in s e r t e d wi t h 0 3 7 5 r o t o r s wa s t h e be s t whil e t h e PEC va l ue o f t h e t u be ins e r t e d wit h S 0 r o t o r s wa s be t t e r t h a n t h e t ub e ins e r t e d wit h S 0 25 r ot o r s The di a me t e r of t he ho l e ha d dif f e r e n t impa ct s o n t he p e r f o r ma n ce of t he r o t o r s Big hol e h a d a g oo d e f f e ct bu t o n t h e co nt r a r y s m a l l h ol e we a k e n e d h e a t t r a ns f e r e n h a n ce me n t Ke y wo r d s r o t o r s a p e r t u r e r a t io Nu s s e l t n u mb e r f r ict io n f a ct o r co mp r e h e n s iv e p e r f o r ma n ce P E C 换热器作为冷热流体热交换设备 广泛应用于 石油 化工等领域 其换热效率的好坏直接决定着 企业的经济效益 内插件是换热器应用较广泛的一 种强化传热技术 其安装于换热管 中 对管 内流体 进行作用 提高其湍动程度 降低边界层厚度 提 高强化传热效果 目前对于内插件的研究主要集中 在对其原有结构的改进上 以期能够达到降低阻力 增强换热效果的目的 B h u iy a等 针对开孔螺旋扭 收稿日期 2 0 1 4 0 4 3 0 修改稿 日期 2 0 1 4 0 6 1 9 第一作者 何长江 1 9 8 7 男 硕士研究生 研究方向为工业节能 及高效换热 E ma i l ch a n i a n g 8 7 1 2 6 t o m 联系人 阎华 讲师 研究方向为节能减排与传热强化技术 E ma i l y i n g l a n y h 1 6 3 C O n l 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 第 1 2期 何 长江 等 内置 开孔螺旋叶片转子换热管强化传热实验 3 1 9 1 为 0 0 2 5 0 3 7 5的转子进行实验研究 1 3 数据处理 1 3 1 传热计算 实验段管程壳程的冷热媒流体达到稳定时 管 内冷媒的吸热量以及管外热媒的放热量可表示为式 1 式 2 1 2 式 1 和式 2 中cp c o分别为甘油水溶 液和热水的定压 比热容 t f 为管程进 出口温度 为壳程进 出口温度 Mh 分别为管程以 及壳程的质量流量 Q 为壳程流体放热量 Q c管 程流体吸热量 进行数据处理时 本实验采用冷热流体的平均 换热量 作为换热过程的传热量 见式 3 堡 3 同时 为检测管程 以及壳程换热过程的平衡性 管程 壳程的换热量还应满足式 4 I l 1 0 0 5 4 I l 冷热流体对流换热过程总传热系数 为式 5 式中 为换热器 的换热面积 冷热流体进出口温度的对数平均温差 计算 如式 6 运用威 尔逊 图解法从总换热系数 K分离得到 管程对流换热系数 h 见式 7 M 7 式中 以为导热系数 d e 为换热管 内径 1 3 2 阻力系数 的计算 换热管管程阻力系数 厂 可 以通过式 8 计算 得到 8 2 式中 为管程当量直径 甜为管程流体流速 P为管程流体密度 为管程进出I5 1 压差 为换 热管长度 2 实验结果及分析 2 1 不确定度分析 实验 中推导所得 的 间接量 的不确 定度 由式 9 确定 9 式中 X 为实验直接测量值 温度 的不确定 度为 l 流量 的不确定度为 1 1 压差 p的 不 确 定度 为1 4 4 因此 换 热量 的不 确 定度 为 1 4 8 7 传热系数 的不确定度为 1 7 9 2 Nu的 不确定度为 1 9 9 6 阻力系数的不确定度为2 6 3 2 2 光管实验验证 为验证实验装置的准确性 对光管进行 了传热 以及阻力实验 并将实验得到的努塞尔数 N u以及 阻力系数 厂 分别与相 同雷诺数条件下的 G n i e l i n s k i 经验公式以及P e t u k h o v 1 4 经验 公式计算结果进行 比较 结果如 图 4 图 5所示 在实验雷诺数范围 内 努 塞 尔 数 N u 的 实 验 值 与 经 验 值 的偏 差 在一 7 8 1 6 4 9 阻力系数 厂的实验值与经验值 的偏 差在一 7 1 1 0 1 7 其中 Gn i e l i n s k i 经验公式为式 1 0 1 1 7 f 1 2 8 一 I J l 1 O P e t u k h o v经验公式为式 1 1 f r 0 7 9 1 nR e 一1 6 4 1 1 2 3 传热对 比结果与分析 内置 3种不 同转子换热管 以及光管的努塞尔数 随雷诺数的变化如图 6所示 对于光管以及装有转 图4 光管 N u测量值与经验公式对比 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 3 1 9 2 化 工 进 展 2 0 1 4年第 3 3卷 图 5 光管 厂测量值与经验公式对比图 子的换热管而言 随着雷诺数的增加 管内流体的 湍动程度增加 增强了管壁流体与中心流体的互换 作用 从而使努塞尔数相应 的提升 内置 S 0螺旋 叶片转子换热管的努塞尔数较 同一雷诺数下光管的 努塞尔数高出 3倍左右 说明组合转子增强了换热 管内流体 的切 向以及径向速度 并且强化了管壁处 流体与中心流体间的质量及热量交换 而对于 内置孔径比 为 0 0 2 5 0 3 7 5转子换 热管而言 内置 S 0 3 7 5螺旋叶片转子换热管努塞 尔数比内置 S 0以及S 0 2 5 螺旋叶片转子换热管的 努塞尔数分别高出 9 5 和 2 1 左右 分析其原因 大孔螺旋叶片转子转动时 不仅提高流体纵向旋转 流动 还额外增加了横 向流动 增强换热管内流体 的紊流程度 减薄流体边界层 强化 了对流换热过 程 而小孔并未对螺旋叶片转子的强化传热性能起 到积极的影响 分析原因为 由于孔径较小 液体 切向流过小孔时 还未来得及改变方 向就已经通过 小孔 不能产生有效的横 向流 而且液体充满小孔 的体积 使用于换热的液体体积变少 故其传热性 能有所降低 2 4阻力对 比结果与分析 内置 3种不同转子换热管以及光管的阻力系数 图6 组合转子以及光管的N u数 图 7 组合转子 以及光管的阻力系数 变化 曲线如图 7所示 由图 7可得 内置 S 0螺旋 叶片转子换热管的阻力系数是光管的 2倍左右 分 析其原因 加装转子减小了换热管的流通面积 并 且流体推动转子转动消耗了流体 的能量 从而使加 装转子换热管阻力变大 而对于转子换热管而言 内置 S 0 3 7 5螺旋叶 片转子换 热管的阻力系数 比其他两种转 子管高出 9 左右 内置 S 0 2 5螺旋叶片转子换热管的阻力 系数与内置 S 0螺旋叶片换热管的阻力系数相当 分析其原因 开大孔后 转子的扰动增加了液体横 向流动 使液体的流动路径增加 并且大孔对流过 转子叶片 的流体起到切断再混合的作用 产生一定 的漩涡 从而使内置 S 0 3 7 5转子换热管的阻力系 数较大 而小孔转子 未能使液体产生有效的横向 流 故其与内置未开孔转子换热管的阻力系数相当 2 5 组合转子综合性能评价因子 为了综合评价 内置转子换热管的综合强化传热 性能 引入工程上普遍使用 的综合评价因子 P E C 其计算式为式 1 2 式中 N u和 厂 为装有组合转子 换热管的努塞尔数和阻力系数 Nu 0 和 厂 0 为光管的 努塞尔数和阻力系数L 1 引 c 器 图 8为内置 3种不同转子换热管的综合评价指 标 P E C 曲线图 由图 8可以看 出 内置 3种不 同转子换热管的 P E C都大于 1 5 说 明 3种转子都 具有强化传热效果 内置 S 0 3 7 5螺旋叶片转子换 热管的 P E C最大 内置 S 0螺旋叶片转子换热管的 P E C 次之 而 内置 S 0 2 5螺旋叶片转子换热管的 P E C最差 因此综合考虑传热 以及阻力两方面因素 转子开有大孔对其综合性能是有益的 而开孔尺寸 较小时反而会减弱转子的强化传热综合性能 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 2期 何长江等 内置开孔螺旋叶片转子换热管强化传热实验 3 1 9 3 图8 组合转子以及光管综合性能 3 结 论 以 6 0 的甘油水溶液为管程介质 在雷诺数范 围为 1 6 0 0 3 0 0 0下对换热管 内置 为 0 0 2 5及 0 3 7 5螺旋叶片转子强化传热性能与阻力特性进行 了实验研究 结果表明 1 内置 S 0 3 7 5螺旋叶片转子换热管努赛尔 数比内置 S 0以及S 0 2 5 螺旋叶片转子换热管的努 塞尔数分别高出 9 5 和 2 1 左右 阻力系数高出 9 左右 而 内置 S 0以及 S 0 2 5螺旋叶片转子换 热管的阻力系数相当 2 内置 S 0 3 7 5螺旋叶片转子换热管的 P E C 最大 内置 S 0螺旋叶片转子换热管的 P E C次之 而 内置 S 0 2 5螺旋叶片转子换热管的 P E C最差 说明转子开有大孔对其综合性能是有益的 而开孔 尺寸较小时反而会减弱转子的强化传热综合性能 参考文献 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 B h u iy a M M K C h o wd h u r y M S U S a h a M e t a l He a t tr a n s f e r a n d f r i ct i o n f a ct o r ch a r a ct e r i s t i cs i n t u r b u le n t fl o w t h r o u g h a t u b e fi t t e d 1 5 wi th p e r f o r a t e d t wi s t e d t a p e i n s e r t s J I n t e r n a t i o n a l C o m mu n i ca t i o n s i n He a t a n dMa s s T r a n s f e r 2 0 1 3 4 6 4 9 5 7 Th ia n p o n g a C Eia ms a a r d a P P r o mv o n g e R e t a 1 E f f e c t o f p e r f o r a t e d t wis t e d t a p e s wit h p a r a l l e l wi n g s o n h e a t t r a n s f e r e n h a n ce me n t in a h e a t e x ch a n g e r t u b e J J l S civ e r s e S ci e n ce Dir e ct En e r g yPr o ce d ia 2 01 l 1 4 1 1 1 7 1 1 2 3 Zh a n g Zh e n Din g Yu me i Gu a n Ch a n g f e n g e t a 1 He a t t r a n s f e r e n h a n c e me n t i n d o u b l e p i p e h e a t e x ch a n g e r b y me a n s o f r o t o r a s s e mb l e d s t r a n d s J C h e m i ca l E n g i n e e r i n g a n d P r o ce s s i n g P r o ce s s I n t e n s i fi ca t i o n 2 0 1 2 6 0 2 6 3 3 Zh a n g Zh e n Ya n g We imin 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 an d fric t io n ch a r a ct e r is t ics o f t u r b u l e n t fl o w t h r o u g h p l a i n t u b e in s e r t e d wi t h r o t o r a s s e mb l e d s t r a n d s J E x p e r i me n ta l T h e r ma l a n F l u i d S cie n ce 2 0l 2 3 8 3 3 3 9 Z h a n g Z h e n Y a n g W e imin Gu a n Ch a n g f e n g e t a 1 He a t t r a n s f e r e n h a n ce me n t in a t u b e fit t e d wit h h e l ica l b l a d e r o t o r s w it h g r o o v e s J Ex pe r i me n t a l T h e r ma l a n dFl u idS c ie n ce 2 01 3 4 8 1 6 9 1 7 6 Zh a n g Z h e n Y a n Hu a Ya n g We i min e t a l He a t t r a n s f e r e n h a n ce me n t i n t h e t u b e fit t e d wi t h l e R r i g h t h e l i ca l b la d e r o t o r s J A p p l ie dT h e r ma l En gin e e r in g 2 01 3 5 5 9 5 1 01 张震 杨卫民 关昌峰 等 螺旋叶片转子强化传热机理 兮 析f J 化工学报 2 0 1 3 6 4 1 1 3 9 2 7 3 9 3 2 姜鹏 杨卫 民 张震 等 相间内插两种转子换热管的换热及阻 力特性 机械设计与制造 2 0 l 3 2 1 2 9 1 3 1 姜鹏 阎华 关 昌峰 等 内置转子换热管强化传热性能实验研 究 化学工程 2 0 1 2 7 9 6 1 0 0 彭威 阎华 关昌峰 等 内置组合转子换热管的综合传热性能f J 化工进展 2 0 1 2 3 1 4 7 4 9 7 5 3 彭威 关昌峰 阎华 等 内置间隔排布转子串换热管的传热和 阻力特性实验研究 北京化工大学学报 2 0 1 3 4 0 1 1 0 3 1 0 8 E ia ms a a r d S T h ia n p o n g C P r o mv o n g e R E x p e r i me n t a l in v e s t ig a t io n o f h e a t t r a n s f e r an d flo w f r ict io n in a c i r cu l a r t u b e fi t t e d w i t h r e g u l a r l y s p a ce d t wi s t e d t a p e e l e me n t s J I n t e r n a t i o n a l C o mm u n i ca t i o n s i n He a t a n d Ma s s T r a n s f e r 2 0 0 6 3 3 1 0 1 2 2 5 1 2 3 3 Gn ie l in s k i V Ne w e q u a t io n f o r h e a t a n d ma s s t r a n s f e r in t h e t u r b u l e n t fl o w i n p i p e s a n d ch a n n e l s J F o r s ch u n g i m I n g e n i e u r w e s e n 1 9 7 5 41 1 8 1 6 李锋祥 换热器管程组合转子强化传热研究与结构改进f D 1 北 京 北京化工大学 2 0 0 9 Z imp a r o v V E n h a n ce me n t o f h e a t t r a n s f e r b y a c o mb in a t io n o f t h r e e s t a r t s p ir a l l y co r r u g a t e d t u b e s w it h a t wis t e d t a p e J t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t a n dMa s s T r a n sf e r 2 0 0 1 4 4 5 5 1 5 7 4 耍 痧 上接第 3 1 8 8页 7 8 9 1 O T h e r ma l En gi n e e r in g 2 0 1 3 5 0 L 1 9 5 0 9 5 6 古新 董其伍 王珂 基于三维实体模型的管壳式换热器壳程流 场和温度场数值研究l