新型内翅式氮气换热器对流换热性能研究

摘要：通过实验的方法研究了一种新型内翅式氮气换热器的对流换热和阻力特性,建立了所测Ｒｅ范围内对流换热和阻力实验关联式,并且在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下比较了该翅片管与普通光管之间的传热效果.与类似的波纹管的换热效果进行了比较,结果表明,新型内翅式氮气换热器具有较好的换热效果,特别是在较低Ｒｅ条件下,效果更加明显.
　　关键词：氮气换热器;强化传热;Ｒｅ;阻力特性
　　中图分类号：ＴＫ124　　　　　文献标识码:Ａ　　　　　文章编号:1672-0946(2006)01-0115-03
　　对流换热及其强化传热一直是人们研究的重要课题[1].强化传热研究在化工系统制冷空调工程及食品工程中具有重要的实际意义.石化和化工系统中存在大量的处理气体换热的工况,由于气体换热效率低,导致换热器体积过于庞大,从而大大增加了企业负担,也严重制约着大处理量工况时设备一体化的要求,因此,石化和化工系统中研究强化传热,可以大大减小设备体积,具有重要的理论和实际意义.本文研究了一种波纹形内翅片高效换热管,具有较大的翅化比,较高的翅片效率,整个换热管具有良好的换热效果.
　　1　实验系统
　　整个实验系统由空气压缩机、混合入口段、实验段、较核段及水系统和数据采集系统组成,如图1所示.实验中,为了在不同压力进行实验,用空气压缩机来取代风机作为空气动力源,通过混合箱消除由于压缩机排气对气体流速产生的脉动影响,通过调节旁通阀来改变进入翅片管的空气流量.翅片管入口段采用维多辛斯基曲线喇叭口,空气经过这种渐缩入口以后速度分布接近均匀.实验时,在管子轴向15个截面上分别布置热电偶,每个截面沿周向布置3个热电偶.在实验段后设置一个套管换热器,也采用波纹内翅片换热管,通过对套管换热器数据的处理,来较核实验管测定数据的可信度(二者给热系数偏差大于10%被视为不可信).
　　传热实验采用恒热流密度的做法,实验采用电阻丝作为加热元件,将电阻丝均匀地缠绕在翅片管上,为了尽可能地减少散热损失,加热电阻丝外包裹石棉和海绵,实验加热两端均装有绝热良好的绝缘木来减少轴端热损失,在出口处加设辅助微调加热器来补偿出口端导热损失.
                      
　　2　数据处理方法
　　通过调节电阻丝电流大小,控制实验满足中等以下温差范围条件,空气定性温度取进出口平均温度,即ｔｍ=(ｔｍ+ｔｏｕｔ) 2.热平衡由电阻丝的加热功率Ｗ与空气的吸热量Ｑ比较而得.实验中热平衡相对误差一般小于5%,最大热平衡偏差小于9%.热平衡偏差定义为：
              
　　由于实验铜管管壁很薄,热电偶采用锡焊焊接,铜和锡的导热系数都很大,因此可以认为用热电偶测得的温度近似代表管内壁温度.实验表明,同一个截面上的三个热电偶测得的温度相差很小,相差一般小于0.5℃,内翅片管内壁面温度ｔｗ(ｘ)取同一个截面上三个热电偶的算术平均数.在恒热流密度加热条件下,流体主流方向平均温度必定沿流向呈线性变化,故其局部点主流温度采用如下计算式：
              
　　由于恒热流密度时,在充分发展区内轴向温度梯度呈现为恒定值,也就是说,其局部给热系数亦应为定值.因此充分发展段平均对流换热系数可以通过各局部换热系数的平均值给出,充分发展段对流换热系数和Ｎｕｓｓｅｌｔ数定义为
             
　　3　实验结果及讨论
　　3.1　对流换热和流动阻力的实验关联式
　　充分发展段的对流换热和阻力的整体特性可以用关联式来反映,根据最小二乘原理,对实验数据拟合得到如下形式实验关联式:
              
　　3.2　传热性能比较准则
　　文献[3]中广泛采用的传热性能比较准则有相同质量流量、相同泵功率、相同压降三种比较准则.根据文献[4]的建议,在常物性条件下,进行推导可得如下限定关系式
               
    在上述三种准则下,图2、3、4分别表示在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下两种内翅片管在换热面积基本相同(翅片管的外管与普通光管内径相同)时分别与普通光管的换热效果比较.从图2、3、4可以看出,新型波纹形内翅片换热管具有良好的强化换热效果,特别是在较低Ｒｅ时,其强化效果十分明显,但是随着Ｒｅ的增加,强化倍数迅速降低;比较管换热效果随Ｒｅ变化相对比较平缓.波纹形内翅片换热管和比较管都在相同质量流量比较准则下具有最大的强化效果,相同压降时强化效果最差,甚至在Ｒｅ增大到一定时,不再具有强化作用,这主要是由于在管内加翅片后,换热管阻力降增大的缘故,特别是在高Ｒｅ时,翅片管阻力系数较之普通光管增加明显,这样,在相同阻力降时,其强化作用就显现不出来了.总体来说,不管哪种比较准则下,新型波纹形内翅片换热管都具有比比较管更好的强化效果.这主要是由于二者不同的翅片结构引起的.
    虽然新型波纹形内翅片换热管和比较管的翅片都是弯曲成波纹性的,但是比较管内外管之间的流通空间被分为4个大小不一的流道,靠近外管的两个流道离翅根较近,有较小的导热距离,具有良好的换热效果,而靠近内管的两个流道有很大的导热距离,导致换热效果下降,同时又由于四个通道分别被隔绝,流体不能相互流通,使得流体对流不畅,因此总体换热效果下降.而新型波纹形内翅片换热管流体通道成长扁性,并且只在圆周方向上形成2个大小相近的小流道,虽然靠近内管的导热距离也很大,但是由于流体能很好的流通,在图2两种翅片管换热效果的比较每个通道内对流和导热充分结合,所以具有了良好的强化换热效果.
                  
                      
    4　结　论
    本文研究了波纹内翅片管的对流换热及流动阻力特性,得到了Ｎｕｓｓｅｌｔ数、Ｄａｒｃｙ阻力系数ｆ随Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数变化的实验关联式,并将该新型波纹内翅片换热管与类似波纹管进行了比较.结果发现,新型波纹内翅片换热管在相应的准则方程式控制下,相同传热温差的传热量较之普通光滑管要高1.5～14倍.无论哪种比较准则下,两种翅片管的综合性能都要强于普通光管,在相同的比较准则下,实验管具有较之比较管更好的传热性能,不同的翅片结构和流道形式对换热强化影响较大.