三维肋翅片管在螺旋折流板换热器中的应用研究

1、三维肋翅片管在螺旋折流板换热器中的应用研究王真勇1.2，张正国2，方晓明2（1佛山神威热交换器有限公司技术工程中心，广东佛山528000；2华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640）摘 要：本文研究了三维肋翅片管在螺旋折流板换热器中应用的传热与压降性能，以水和VG32液压油为换热对象进行实验，并与弓形折流板光滑管换热器进行对比在相同的Re下， 螺旋折流板三维肋翅片管换热器的Nu足弓形折流扳光滑管换热器的5.03、5.96倍在相同流量下，螺旋折流板三维肋翅片管换热器壳程压降稍大，但它的传热流阻性能比是弓形折流板光滑管换热器的2. 78、3.66倍实验结果表明：三维肋翅

2、片管在螺旋折流板换热器中应用具有最佳的传热流阻综合性能，关键词：换热器；螺旋折流板；弓形折流板；三维肋翅片管；前言管壳式换热器是目前工业领域应用最为普遍的换热器形式，从结构上看，管壳式换热器主要是由传热管、支撑折流板、管板、壳体等部件所组成，随着节能、省材和提高经济效益的需求，迫使人们不断努力以开发出更高效节能的换热器。螺旋折流板换热器是近几年发展起来的一种新型管间支撑结构换热器，与普通的弓型折流板相比，螺旋折流板能使壳程压降更有效地转化为传热系数的提高近年来有许多学者在这方面作出了深入的研究但是，以往研究的螺旋折流板式换热器所采用的传热管大多数为光滑管，要提高换热器的传热性能，关键在于采用强

3、化传热管与新型管间支撑结构相结合，才能更有效地提高换热器的传热效能和降低其动力能耗。强化传热领域的国际权威学者AEBergles将三维粗糙元或三维翅片管作为目前最先进的强化技术或第三代传热技术。因此将三维翅片管与螺旋折流板配合使用是管壳式换热器传热强化的一种最好的方式。近年来有许多研究也对这一方式进行了研究。例如新开发出的最典型的第三代三维翅片管有针翅管、花瓣管、菱形翅片管等。张正国将螺旋折流板花瓣管水冷管壳式油冷却器与弓形折流板光滑管水冷管壳式油冷却器进行了性能比较。结果表明，螺旋折流板花瓣管油冷却器的总传热系数是弓形折流板光滑管油冷却器的45倍，具有非常好的传热性能。本文采用近年来新开发的

4、三维外肋翅片（错齿型）管与螺旋折流板相搭配，制成了一种新型螺旋折流板三维肋翅片管换热器。并对传热管的布置作出了优化设计（如图3）有效避免了流体流动短路现象，并增强了扰流效果。折流板为35°角的三维连续螺旋型结构（如图1），其特点是换热器设有中心管，折流板绕中心管螺旋缠绕。三维肋翅片管属于整体式翅片管（如图4），即翅片直接在基管上刻切加工而成，不存在基管与翅片之间的热阻问题。肋翅片在管表面呈错齿状排列，在空间上具有三维性。通过研究螺旋折流板三维肋翅片管换热器的传热与流阻性能，并与弓形折流板光滑管换热器的传热与流阻性能进行了对比，获得了该新型换热器传热性能提高的数据，并分析了传热强化机理

5、。为研究该类型换热器的设计、制造与应用打下了良好的基础。图l 螺旋折流板图Fig. 1 the drawing of helical baffles 图2普通布管方式 图3特殊布管方式Fig.2 general layout of tubes Fig.3 special layout of tubes图4 三维肋翅片管实物图Fig.4 the drawing of three-dimensional rib-finned tubel实验装置与方法1.1实验装置本实验系统如图5所示，主要是由三大部分组成。第1部分为液压油的加热系统。首先油泵从油箱中抽油至辅助换热器I壳程加热，加热至恒定温度后热油

6、至待测的换热器。锅炉热水由水泵I送至辅助换热器I管程，然后再回至锅炉循环加热，用热水流量来控制油加热至恒定温度。第II部分为冷却水系统。冷却水由定量水泵II从冷却水塔抽送到辅助风冷式换热器II，达到规定的温度后冷却水再进入待测的换热器管程，换热后冷却水再回流至水塔。第III部分为计算机控制系统。此部分为三个功能，一个是控制功能，主要通过温度传感器、压力传感器来控制水泵I、油泵油流量、辅助风冷式换热器II电机转速等变量因素。第二个是数据采集功能，这一模块是采集在平衡时各时段的数据，包括油流量、进出口油温度、冷却水流量、冷却水进出口温度、油及水在待测冷却器进出口压力差等数据。第三个功能是数据处理，

7、根据计算机里事先编写的程序进行数据计算，得出待测换热器的各主要数据。 l、油箱 2、油泵 3、辅助换热器I（水冷式） 4、热水锅炉 5、水泵I 6、冷却水塔 7、辅助换热器II（风冷式） 8、水泵II 9、水流量计10、油流量计11、PC控制系统12、待测试的换热器 图5 实验流程图Fig.5 Schematic diagram of experimental system1.2实验换热器本文实验换热器分别为：螺旋折流板三维肋翅片管换热器和弓形折流板光滑管换热器。换热器外形尺寸均相同，管程双程，壳程单程，传热管数量相同。换热器结构如图6所示。尺寸参数如表1-1所示。 图6 螺旋折流板翅片管换热

8、器Fig.6 helical baffle heat exchanger with fin tubes 表1-1 两种换热器的结构尺寸参数Table1-1 structural parameters of heat exchangers换热器名称弓形折流板光管换热器螺旋折流板三维肋翅片管换热器传热管型式光滑管(TP2)三维肋翅片管(TP2)坯管规格mm12×0.8×67512×1.0×675管数量（支）2020翅片管外径mm1216.2肋化系数3.9管排列方式普通布置（转正三角形）特殊布置中心支撑管规格42折流板缺口高mm/螺旋角0.2Di350壳体规格

9、mm115×2.5×757115×2.5×7571.3实验方法本实验约束条件：(1)壳程为热介质为VG32液压油；(2)油入口温度在65左右；(3)测量最小起始流量201/min，壳程实验以壳程压降达到lOOkpa左右时的流量为最大流量；(4)管程为冷却水，入口温度稳定在30左右，管程流量固定为601/min;在对壳程实验时，通过改变油的流量，来测定油的进出口温度、油进出口压差、冷却水进出口温度，考察油流量的变化对传热系数及流阻性能的影响。2实验数据处理2.1总传热系数的计算由于测量误差是不可避免的，故水侧和油侧的热负荷并不完全相等，本实验中两者的偏差在

10、±5%以内。在数据处理中，热负荷以两者的平均值为准。 （3-1）式中；Vo为壳程油的流量；Vi为管程水的流量；o为壳程油的密度；i为管程水的密度：Cpo为壳程油的定压比热；Cpi为管程水的定压比热；tol和t02为壳程进出口油温；til和ti2为管程进出口水温；总传热系数可表达为： （3-2）其中：Fo是传热管的坯管外表面积，tm是对数平均温差，为温度差校正系数。2.2管程对流传热系数的分离总传热系数可以表达为： （3-3）式中：是管壁热阻Rw，是污垢热阻Rs。另外，由于本实验所用的换热器均为新制产品，污垢热阻Rs可近似认为等于零。本实验所用的三维外肋翅片管内壁可近似认为是光滑的，光

11、滑管内的对流传热系数可应用Dittus-Boelter传热系数关联式： （3-4）2.3壳程对流传热系数的计算保持管程冷却水流量不变，改变壳程油流量进行传热实验，式3-3可变形为： （3-5）对于弓形折流板与螺旋折流板来说，壳侧Re的定义如下： （3-6）式中：de为特征尺寸，取为传热管的外径do；uo为壳程最小截面流速。而对于壳程最小流通截面面积的计算为：弓形折流板换热器： （3-7）螺旋折流板换热器： （3-8）式3-7及式3-8中：B为折流板间距：Do为壳体的内径；Pt为传热管平均间距；弓形折流板换热器的流通截面积是换热器壳程两折流板间壳体中心线上的流动面积，计算得出的流速u是该截面中的

12、平均流速。螺旋折流板换热器壳程流体的螺旋型流动是以0.5 Do为基准的流动，即可以看成是半个壳体空间的流体，在空间呈螺旋型的运动，因而在对Aat的计算中乘以系数0.57。对于壳程内设有中心管的换热器，Do要去除中心管所占用的部分。3实验结果及其分析3.1壳程传热实验结果及其分析图3-1是实验换热器壳程努塞尔特准数Nu与壳程雷诺常数Re的关系。从图中可以看出，换热器壳程的Nu均随着Re的增火而增大。在相同的Re下，螺旋折流板三维肋翅片管换热器的Nu是弓形折流板光滑管换热器的5. 03、5.96倍，这表明，采用强化传热技术的螺旋折流板三维肋翅片管换热器比普通的弓型折流板光滑管换热器的传热性能有明显

13、的提高。从实验结果可以看出，在换热器外型尺寸、传热管数量相同的条件下，影响换热器传热系数的主要因素在于传热管及折流板型式。螺旋折流板三维肋翅片管换热器传热性能良好，其原因在于：三维肋翅片管的翅片呈错齿状排列，翅片对管表面油流体进行了不规则的切割，极大地破坏了管表面油流体边界层的形成，激发油流体的湍流强度，使油流体在较低的Re下就可达到湍流状态。此外，三维肋翅片管的肋化系数很大，油流体与管接触的传热面积得到了很大的提高。螺旋导流板促使流体绕管束作非正交流动，由于流体离心力的作用和涡流的产生促使流体产生了较高速度梯度，从而增强了传热，另外流体的流速分布均匀，消除了流体流动的返混现象，减少了流体流动

14、的死区，从而使壳程的压降有效地转变为传热系数的提高。总之，三维肋翅片管在螺旋折流换热器中应用，达到了流体的流场和温度场协同，从而实现了强化传热。图3-1 壳程的传热准数Nu与Re关系Fig. 3-1 Relation between Nu and Re in shell side3.2壳程流体流动阻力实验结果及其分析根据实验规程，要求壳程最高压降P在l00kPa左右时的流量为最大油流量。本实验中螺旋折流板换热器的压降比弓型折流板换热器大的原因是：螺旋折流板换热器设有42mm直径的中心管，而弓型折流扳换热器没有中心管，在相同壳体直径：F，弓型折流板换热器的管间距比螺旋折流板换热器要人，且螺旋折流

15、板换热器的螺距只有弓型折流板换热器板间距的一半，另外三维肋翅片管的外径比光滑管的人，故其壳程流动空间小，所以在相同油体积流量下，螺旋折流板换热器壳程的油流速比弓型折流板换热器壳程的油流速大得多，且油流体在三维肋翅片管表面的湍动剧烈，从而导致壳程压降人于弓型折流板换热器。图3-2 壳程压降P与壳程V关系Fig 3-2 Relation between pressure drops and V in shell side3.3换热器的整体性能评价图3-3是2台实验换热器壳程传热流阻性能比0/P与壳程V的关系。从图中可以看出，在相同油流量V下，螺旋折流板三维肋翅片管换热器的传热流阻性能比是弓型折流板

16、光滑管换热器的2.783.66倍。且在低流量下三维肋翅片管换热器的传热流阻性能比更好。在传热强化方面，传热系数的提高幅度远大于其压降提高的幅度，其强化传热效果显著。图3-3 传热流阻性能比0/P与壳程流量V的关系Fig. 3-3 Relation betWeen a0/PPand V in shell side4结论本文实验研究了油在弓形折流板光滑管换热器和螺旋折流板三维肋翅片管换热器壳程的传热与流阻性能。实验结果及分析表明：在相同的Re下，螺旋折流板三维肋翅片管换热器的Nu是弓形折流板光滑管换热器的5.035.96倍，这表明三维翅片管比二维翅片管具有更高的传热性能。在壳程压降方面，在相同流量

17、下，螺旋折流板三维肋翅片管换热器压降稍大，但它的传热流阻性能是弓形折流板光滑管换热器的2.783.66倍。螺旋折流板三维肋翅片管换热器有效地把两种强化传热方式结合，从而真正地达到了高效节能的目标，应用于工业各领域中将会产生巨大的经济效益。 参考文献1 Stehlik P,Nemcansky J,Kral D.Swanson L.W. Companrison of Correction factors of Shell and Tube Heat Exchangers with Segmental or Helical Baffles .Heat Transfer Engineering. 1994. 15 (1):55-652 陈世醒，张克铮，张强，螺旋折流板换热器的开发与研究(I)J抚顺石油学院学报，1998; 18(3)：31-35.4 赵晓曦，邓先和，陆恩锡，螺旋折流板菱形翅片管换热器的传热与流阻性能J.化工学报 2003; 54(8): 388-391.5 Zhang, ZHENGGUO,XIAOMING FANG, Comparison of hea