內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管傳熱及污垢性能

徐建民，王俊冕，曾 凱，周駿昌，劉 康，李智勇

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

隨著強(qiáng)化傳熱中無功強(qiáng)化傳熱技術(shù)的快速發(fā)展,不需要外部的功能消耗,在無功強(qiáng)化技術(shù)的研究中，換熱管內(nèi)置插入物的強(qiáng)化傳熱技術(shù)沒有改變傳熱表面的形狀,大量的適用于設(shè)備的改造.換熱管內(nèi)沉積的污垢導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的總傳熱系數(shù)明顯減小,降低傳熱效果并導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下,因此，換熱管內(nèi)易結(jié)垢導(dǎo)致的傳熱劣化是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題.內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的抗垢特性能夠有效提高傳熱效率,從而能使傳熱劣化的問題得到大幅度的改善.內(nèi)置插入物類型的強(qiáng)化傳熱機(jī)理大概可以分成4種:使管壁流體與中心流體相互產(chǎn)生置換作用;旋轉(zhuǎn)流的影響;內(nèi)置插入物能夠分割流體,破壞流體邊界層;形成二次流.本文中對內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管傳熱性能及結(jié)垢特性進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過測試換熱過程中溫度t,流量，計(jì)算出傳熱系數(shù)K,并且同時(shí)觀察換熱管內(nèi)部結(jié)垢分布情況,并用fluent模擬換熱管內(nèi)污垢分布，得出云圖，對比分析得出內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的傳熱效率高及其抗垢優(yōu)點(diǎn).

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

換熱器對流傳熱中，確定熱量衡算及傳熱平均溫度差，利用基本傳熱速率方程式，求解總傳熱系數(shù)[1]，實(shí)驗(yàn)原理理論公式具體如下：

Φ=KAΔt

(1)

(2)

其中，A為換熱面積(m2)，K為傳熱系數(shù)(W/m2·K )，Δt流體對數(shù)平均溫度，t1,t0分別為流體進(jìn)出口溫度(℃)，tw為管壁溫度(℃).

(3)

換熱管的熱流量Φ可以表示為

tw=ρπcpde2v(t0-t1)

(4)

式(3)中ρ為流體密度,cp為流體比定壓熱容(kJ/(kg·K)),dc為當(dāng)量直徑(mm),v為流體流速(m/s).

(5)

式(5)中qv為流體體積流量,m3/h.

聯(lián)立式 (1)式至(5)可以求解出傳熱系數(shù)為

(6)

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

表1列出了兩種模型換熱管在外徑、壁厚、管長的參數(shù)相同情況下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對比分析.

表1 實(shí)驗(yàn)用換熱管類型名稱及尺寸Tabel 1 Type name and sizes of tubes in the experiment mm

圖1是內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管結(jié)構(gòu)，換熱管總長1 000 mm,螺旋葉片轉(zhuǎn)子所處位置如圖1所示,從換熱管左端的300 mm處到700 mm處,由圖1可知,螺旋葉片兩部分葉片是對稱結(jié)構(gòu).

圖1 換熱管內(nèi)部螺旋葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及所處位置示意圖Fig.1 The spiral blade rotor structure and location in the tubes

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)包括換熱管、循環(huán)管路、溫度及壓力至系統(tǒng)等 如圖2所示。

注：1-水泵 2-閥門 3-加熱器 4-換熱器 5-熱流體進(jìn)口 6-熱流體出口 7-冷流體進(jìn)口 8-冷流體出口 9-流量計(jì) 11-U型壓差計(jì)

圖2實(shí)驗(yàn)流程裝置

Fig.2 The experimental circuit device

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

熱流體顆粒溶液進(jìn)口溫度保持在100 ℃;冷流體自來水進(jìn)口溫度保持在20 ℃;控制閥門大小及水泵使管程內(nèi)部流體入口流速保持穩(wěn)定在1 m/s；顆粒溶液顆粒密度取2 500 kg/m3,顆粒粒徑取40 μm;水密度取997.2 kg/m3,黏度取0.001 kg/(m·s).

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

(1)由于該實(shí)驗(yàn)要看到明顯的對比試驗(yàn)結(jié)果,一般工作情況下,試驗(yàn)周期比較長.為了減少試驗(yàn)時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)采用不溶于水的固體顆粒溶液，顆粒密度2 500 kg/m3,粒徑40 μm,此顆粒溶液在換熱管內(nèi)容易結(jié)垢,有利于實(shí)驗(yàn)研究[2-3].

(2)圖2中由水泵抽取顆粒溶液,經(jīng)過加熱器加熱至100 ℃并保持恒溫,加熱完畢的顆粒溶液輸送到換熱管中,殼程中利用20 ℃自來水來冷卻顆粒溶液.

(3)試驗(yàn)中在冷、熱流體進(jìn)口接管處各布置一個(gè)DJ型笛型均速管測量冷、熱流體的進(jìn)口流速，進(jìn)出口壓降及Cesena點(diǎn)壓力用BT型U型壓差計(jì)測量;分別在殼程和管程的進(jìn)出口位置布置一個(gè)溫度傳感器測定冷、熱流體的進(jìn)出口溫度,在換熱管壁處均勻分段的放置3個(gè)溫度傳感器測管壁的溫度,用來求管壁的平均溫度tw[4-5].

(4)電加熱器功率5 kW,通過手動(dòng)開關(guān)控制入口顆粒溶液溫度,流量計(jì)、溫度測量儀都進(jìn)行了標(biāo)定和校正，換熱器的保溫材料符合標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的保溫性能.在管程顆粒溶液入口溫度保持恒定,分別測取在管程流量恒定、系統(tǒng)穩(wěn)定后的各參數(shù)值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

2.1 傳熱性能結(jié)果分析

分別對光管和內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的各參數(shù),每隔10 min測量1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并記錄下來,然后通過理論部分的推導(dǎo)公式(6)計(jì)算處理得到兩換熱管的總傳熱系數(shù)K的變化數(shù)據(jù).如圖3所示.

圖3 光管總傳熱系數(shù)和內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管總傳熱系數(shù)Fig.3 Overall heat transfer coefficient of the plain tube and built-in helical blade rotor tube

2.2 傳熱分析結(jié)論

(1)圖3中曲線K1為內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管總傳熱系數(shù)趨勢曲線,下面曲線K2為光管總傳熱系數(shù)趨勢曲線,可知在同等流速下,K1明顯大于K2,可以說明在相同直徑、相同長度情況下,螺旋葉片轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管徑傳熱效率明顯大于光管，其傳熱效率大約是光管的1.3～1.6倍[6].

(2)隨著時(shí)間推移,K1、K2傳熱系數(shù)逐漸下降,而K1一直比較穩(wěn)定,這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，污垢會在管壁上沉積,使總熱阻增大，而導(dǎo)致傳熱系數(shù)減少,由此說明螺旋葉片轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管換熱也很穩(wěn)定,具有良好抗垢性能.

為了進(jìn)一步的研究兩種換熱管的抗垢性能,將兩種換熱管的上述實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長至一周,分別將光管和內(nèi)置螺旋葉片換熱管通入上述顆粒溶液，在同樣的工況下工作1周,結(jié)束后對比兩換熱管污垢沉積的情況.

2.3 污垢性能結(jié)果

圖4中螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的污垢沉積厚度明顯小于光管污垢沉積厚度,這是因?yàn)槁菪~片轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)擾亂了污垢的沉積,使部分顆粒隨溶液排出管外,而光管中的顆粒溶液從入口向出口排出的過程中受到重力的影響，顆粒慢慢的往下沉積,隨著時(shí)間推移并累積變多.表明內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管能夠抵抗污垢的沉積,具有良好的抗垢性能.

(a)光管 (b)螺旋葉片管

另外對光管和螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管z=295 mm和z=710 mm兩橫截面用fluent進(jìn)行污垢分布模擬驗(yàn)證分析.把管入口位置的顆粒溶液體積分?jǐn)?shù)大小設(shè)為20%,選取管的入口截面設(shè)為入口速度邊界條件;管的出口截面設(shè)為出口壓力邊界條件,出口截面壓力值設(shè)為0 Pa.由于該換熱實(shí)驗(yàn)中顆粒溶液存在兩相,主要考慮固體顆粒影響,于是模擬結(jié)果偏差的影響中一定要考慮重力作用,在fluent中勾選豎直向下的重力條件，大小為9.8 m/s2.在fluent中導(dǎo)入處理好的mesh文件,在scale設(shè)置中單位設(shè)為mm,由于螺旋葉片轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)擾流，管內(nèi)湍流的各向異性很強(qiáng)烈，顆粒溶液流動(dòng)時(shí)徑向速度和切向度的脈動(dòng)更加強(qiáng)，因此選擇k-ε、RNG湍流模型來計(jì)算.此外,選用SIMPLE方式計(jì)算速度和壓力的耦合,湍流中宜選二階迎風(fēng)方法計(jì)算,并且使用QUICK的離散格式,將管入口的平均壓力趨向穩(wěn)定定義為收斂條件,設(shè)置殘差值小于10-6[7].

2.4 污垢分布模擬

(1)從圖5(a)中可以看出z=290 mm橫截面處，光管頂部沉積的污垢體積分?jǐn)?shù)很明顯小于它底部顆粒污垢的體積分?jǐn)?shù),說明換熱管內(nèi)顆粒污垢受到重力影響,更加容易沉積在換熱管底部.而在內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管的底部污垢分布并不多，底部和頂部污垢體積分?jǐn)?shù)大部分都在平均水平.表明螺旋葉片轉(zhuǎn)子能有效的打亂顆粒的沉積，使顆粒更容易排出換熱管.

(2)結(jié)合圖5(a)和圖6(b)可以看出,不僅在z=290 mm截面處，而且在z=710 mm處,內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管底部的污垢體積分?jǐn)?shù)都小于光管.表明螺旋葉片轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)擾流能大量減少內(nèi)置轉(zhuǎn)子部分區(qū)域污垢的沉積量，而且能對轉(zhuǎn)子段之外的兩端區(qū)域的抗污垢能力有所提高.

(a)光管 (b)螺旋葉片轉(zhuǎn)子管

(a)光管 (b)螺旋葉片轉(zhuǎn)子管

(3)對比圖5(a)和圖6(b)不難發(fā)現(xiàn)光管z=710 mm出口處截面底部的顆粒污垢體積分?jǐn)?shù)比z=290 mm處進(jìn)一步增大,頂部的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步減小.而內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管在z=290 mm和z=710 mm兩處的污垢體積分?jǐn)?shù)分布基本一致,整個(gè)截面的污垢體積分?jǐn)?shù)比較均勻,并且都明顯小于光管的沉積的污垢體積分?jǐn)?shù).這是由于在內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用下,z=290 mm和z=710 mm處的顆粒很難沉積下來，基本上均勻分布在溶液中.

(4)不管是光管還是內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管，其內(nèi)部兩側(cè)的污垢分布都比較少，并且比較均勻，換熱管抗垢應(yīng)該重點(diǎn)考慮管的底部.

3 結(jié) 語

a.在相同當(dāng)量直徑、相同管長和相同實(shí)驗(yàn)工況下,內(nèi)置螺旋葉片換熱管比光管的總傳熱系數(shù)大，具有更好的強(qiáng)化傳熱性能,且其強(qiáng)化傳熱效率較光管提高約30%，同時(shí)螺旋葉片換熱管傳熱效果隨著時(shí)間的推移，基本保持穩(wěn)定趨勢，而光管的傳熱效果逐漸下降.

b.因?yàn)樵陬w粒自身豎直向下的重力作用下，顆粒污垢逐漸向下沉積，光管底部的顆粒污垢沉積量明顯高于光管頂部，并且顆粒隨著溶液從入口流向出口，顆粒污垢沉積量隨著增加.由于在內(nèi)置螺旋葉片轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的擾流作用下，轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管內(nèi)的污垢沉積量較光管顯著的減少了，特別在轉(zhuǎn)子兩端截面處，污垢沉積量分布趨于均勻,結(jié)果表明，和光管相比螺旋葉片轉(zhuǎn)子換熱管具有更好的抗垢、除垢性能.

致 謝

感謝武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院腐蝕與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室老師及同學(xué)的熱情幫助和支持.

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