基于三葉扭曲膨脹管技術的油冷器實驗分析

黃媛媛 周幗彥 錢泰磊 安冬旭 楊 留 朱冬生

(華東理工大學機械與動力工程學院 承壓系統安全與科學教育部重點實驗室 上海 200237)

基于三葉扭曲膨脹管技術的油冷器實驗分析

黃媛媛 周幗彥 錢泰磊 安冬旭 楊 留 朱冬生

(華東理工大學機械與動力工程學院 承壓系統安全與科學教育部重點實驗室 上海 200237)

傳統管殼式油冷卻器的傳熱效率較低，且存在殼程流動死區及易結垢等缺點。本文采用新型三葉形扭曲膨脹管技術提高傳統油冷器的傳熱。通過實驗測試平臺測試得到的三葉形扭曲膨脹管油冷器傳熱及壓降數據，與光滑圓管油冷器、傳統翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器進行對比分析。研究結果表明，采用三葉形扭曲膨脹管技術能明顯提高油冷器傳熱系數，但比外翅片管油冷器壓降更高，在較低雷諾數下，三葉形扭曲膨脹管油冷器綜合性能比翅片管油冷器差，而隨雷諾數增加，其綜合性能逐漸優于外翅片管油冷器，具有很好的推廣應用前景。

油冷器；三葉管；強化傳熱；綜合性能

油冷卻器在石油化工、能源動力等諸多行業發揮重要作用，被廣泛應用于機械設備潤滑油的冷卻工藝，由于潤滑機油粘度大，操作流速低，導致一般油冷器傳熱系數很低，光管一般在350 W/(m2·K)[1-2]。近年來，對油冷器強化傳熱提出了很多方法，螺紋翅片管已在工業油冷器中應用[3]，總傳熱系數與肋化系數有關，而肋化系數過大會導致光坯管壁厚增加，不利于節省材料。鄧先和等[4-6]提出花瓣狀翅片管，在周向翅片上開齒，通過增加翅間湍流度，獲得較佳的傳熱效果，并對殼程支撐方式改變帶來的強化效果進行實驗分析，其綜合性能優越，但加工難度大，很難推廣應用。王楊君等[7]提出旋流片支撐縮放管管束換熱器殼程結構的復合強化方法，以空氣為殼程介質與空心環支撐進行了對比。錢頌文等[8]，譚祥輝等[9-10]分析研究的扭曲管換熱器能夠顯著提高傳熱效果，然而其由于對換熱管進行了壓扁工藝，使傳熱熱阻高側的流通空間變大，不利于油側對流傳熱系數的提高。王定標等[11]在扭曲橢圓管的基礎上提出了一種新型的三葉扭曲膨脹管，并對其管內換熱過程進行了數值模擬，表明同雷諾數Re下，相比扭曲橢圓管，三葉扭曲膨脹管擁有更高的強化傳熱效果。由于螺旋三葉管為國內首創，因此國外對于螺旋三葉管的換熱器的研究并沒有涉及。三葉形扭曲膨脹管(以下簡稱SP管)能夠實現殼程自支撐，并改變管殼程流通截面積比，使管殼側傳熱膜系數提高，能夠明顯提高傳熱效果，殼程形成縱向螺旋形流道，提高了油側湍動程度，因此有利于提高油冷器傳熱效果[11]。為此自行設計了雙管程雙殼程的SP管油冷器，并與翅片管油冷器進行實驗對比研究，綜合分析了SP管油冷器的強化傳熱效果。

1 實驗方法

實驗平臺參考標準JB/T 10379—2002搭建，并參考該標準進行測試。換熱器溫度、壓力和流量測點布置在管程、殼程進、出口接管處，其分布圖見圖1。

主要測試SP管油冷器殼程油側換熱及壓降性能，殼程介質為30號機油；管內換熱介質為冷水，油箱7中的油經盤管8加熱后流過油冷器4殼程，被從冷水箱1中流經油冷器4管程的水冷卻，返回油箱循環使用。實驗系統主要測試油冷器管程及殼程的體積流量Gt，Gs，進出口溫度Ti，To，ti，to及殼程進出口壓差Δps，測試油冷器殼程截面布管圖如圖2所示(數據單位：mm)，換熱器殼程長度L為1.00 m，換熱管基圓直徑D=7 mm，過渡圓弧半徑d=1 mm，葉高3 mm，扭矩P=70 mm，壁厚為0.5 mm，結構示意圖如圖3所示。

為保證每組實驗數據的準確性，測試過程中，每組采集點數據均連續運行至穩定半小時以上后采集20組數據取平均值得到。

2 數據處理方案

換熱器殼程流體流速，殼程當量直徑以及殼程流體Reynolds數分別滿足[12]：

(1)

傳熱計算不計污垢熱阻，由傅里葉定律以及傳熱過程基本方程，則換熱器總傳熱系數滿足：

(2)

(3)

式中：Q為管程換熱量，W，實驗測試管殼程換熱量誤差在10%以內；F為SP管換熱器換熱面積，m2,按基圓管計算；ΔTm為實驗對數平均溫差[13],K。

Q=cpmtΔt

(4)

F=nπdL

(5)

(6)

管程對流傳熱膜系數用Dittus-Boelter關聯式進行計算，結合總傳熱膜系數計算關聯式分離計算殼程努賽爾數Nus，定義殼程傳熱因子j，式中Prs為殼程油的普朗特數：

(7)

(8)

殼程摩擦系數滿足式(9):

(9)

式中：壓降Δp可通過實驗測試直接得到。

在對油冷卻器進行實驗分析時，由于受到測試儀器精度的影響，實驗測得的數據必然會存在一定的不確定度，為了保證實驗結果的準確性，應對測試系統的可靠性和數據處理公式進行誤差分析。參考文獻[14]對實驗測試系統的誤差分析方法，本文采用二次方公式的方法進行誤差分析，以下是具體的計算分析結果：管側傳熱膜系數總不確定度最大值為7.2%，阻力系數為4.8%，殼程傳熱系數不確定度最大值為5.8%，平均值阻力系數為3.1%，均在允許誤差范圍內。

3 實驗結果分析與討論

3.1 傳熱因子及摩擦因子分析

為了對比分析得到SP管油冷器相對于其他油冷器的強化傳熱性能，本文通過實驗測得的實驗數據與鄧先和等[6]研究的傳統折流板(光滑管)油冷器、傳統翅片管(螺紋翅片管)油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的實驗數據進行傳熱與壓降性能對比。

圖4是實驗測試的SP管油冷器與傳統折流板油冷器、傳統翅片管油冷器及花瓣狀翅片管油冷器的殼程傳熱因子曲線。由圖4分析可知：實驗測試的SP管油冷器及傳統翅片管油冷器傳熱因子均高于傳統折流板式油冷器；SP管油冷器殼程傳熱因子隨雷諾數增長速度明顯高于傳統翅片管油冷器，當Re>500時，SP管油冷器殼程傳熱因子較傳統翅片管油冷器高，且隨雷諾數增長，差值增大，傳熱效果優勢明顯。現象說明在低雷諾數下，傳熱面積的增加對傳熱效果有明顯提高作用，當雷諾數逐漸升高時，傳熱面積的作用不再明顯，而SP管的自支撐設計使管殼程流通截面積比例改變，從而使管殼程對流傳熱膜系數較翅片管油冷器更趨于對稱。殼程由于流道的螺旋原因，形成變空間復雜的縱向流動，產生強紊流的同時又出現二次流，有效破壞流動邊界層，增強了油側傳熱效果。管程由于管形的立體螺旋扭轉，使水側產生二次流，傳熱系數也相應提高。

與花瓣狀翅片管油冷器相比，SP管油冷器傳熱效果處于劣勢，原因是SP管油冷器與花瓣狀翅片管油冷器對與殼程流體流動的湍動程度均有促進作用，能有效破壞傳熱滯留層。而花瓣狀翅片管油冷器結合了長孔波紋網板支撐結構，形成復合強化傳熱效果，SP管油冷器則僅僅是對管形進行了改變，形成殼程自支撐結構；但花瓣狀翅片加工要求高，制造困難，因此三葉扭曲膨脹管在制造加工、材料投入方面則明顯優于花瓣狀翅片管油冷器，工程應用中SP管油冷器有優勢。

圖5為實驗測試的SP管油冷器與傳統折流板式油冷器、傳統翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的摩擦因子比較。結果表明：低雷諾數下摩擦因子隨雷諾數變化明顯，隨雷諾數升高，摩擦因子變化趨于平穩；實驗測試的傳統翅片管油冷器壓降最低，其他三種管形均低于傳統折流板式油冷器；且花瓣狀翅片管長孔波紋網板支撐結構的油冷器壓降要高于SP管油冷器。

3.2 綜合性能分析

工程應用中，換熱器性能優越與否要綜合考慮很多因素，包括經濟性、可靠性、可行性、安全性等[15]，這里只考慮傳熱與阻力因素對實驗測試的油冷器進行綜合評價，目前常見的評價標準包括等流量、等壓降和等泵功約束條件下的評價準則[16]。按以上三種評價標準對所測試的兩臺油冷器進行了分析，圖6～圖8分別為三種評價標準所得出的對比圖，其中實線為同規格同流速下傳統折流板油冷器評價線。

從圖6～圖8分析可知：SP管油冷器在低流速下綜合性能較傳統翅片管油冷器差，隨流速u的增加，三種條件下SP管油冷器綜合性能增長率均優于傳統翅片管油冷器，等流量為約束條件下，SP管油冷器綜合性能在油側流速達到3.3 m/s后開始優于傳統翅片管油冷器；等壓降約束條件下，當油側流速達到2.8 m/s后，SP管油冷器體現出綜合性能優勢；等泵功條件下，SP管油冷器綜合性能在油流速2.5 m/s時就已經高于傳統翅片管油冷器。在多數以泵功消耗為代價的冷油工藝中，采用SP管油冷器比傳統翅片管油冷器綜合性能優越。

采用Webb R L[17-18]綜合性能準則關系式對SP管換熱器的傳熱效果及流阻性能進行綜合評價，即:

(10)

式中：η指的是單位能耗下該油冷器殼側傳熱膜系數h和傳統折流板式油冷器殼側的傳熱膜系數h0的比值。η的值越大，說明換熱器相對于基準換熱器綜合性能越好，即相同功耗下，能達到的傳熱效果更好。以傳統折流板式油冷器為基準，各類油冷器的綜合性能曲線如圖9所示。

由圖9可知：兩種油冷器的殼側綜合評價因子均大于1，翅片管油冷器綜合評價因子伴隨雷諾數的增加呈下降趨勢，逐漸趨于穩定。這是由于隨著雷諾數增加，翅片管油冷器傳熱系數和阻力系數較折流板油冷器均有提高，但前者傳熱系數的提高要小于后者阻力系數的增大，從而綜合性能下降；而SP管油冷器綜合評價因子呈上升趨勢，逐漸趨于穩定，這是由于前者傳熱系數的提高要大于后者阻力系數的增大，從而綜合性能上升。在較低雷諾數下，SP管油冷器綜合性能較翅片管油冷器差，隨雷諾數逐漸提高，SP管油冷器綜合性能上升，在雷諾數達到550時，綜合性能超越翅片管油冷器。綜上所述：低雷諾數下油冷器的綜合性能主要與換熱面積有關，隨著雷諾數的增加，流體的湍動程度逐漸起主導作用。SP管油冷器在高雷諾數下有很好的綜合傳熱性能。

4 結論

1)本文對比分析了SP管油冷器與傳統折流板油冷器、傳統翅片管油冷器和花瓣狀翅片管油冷器的傳熱及壓降性能，結果表明SP管油冷器在Re>500后顯示出明顯的傳熱優勢。

2)采用三種評價方法對SP管油冷器進行了綜合評價，其綜合性能隨流速增加呈現上升趨勢，在達到一定流速時綜合性能優于翅片管油冷器。

3)以傳統折流板式油冷器為基準，綜合評價了SP管油冷器與翅片管油冷器，結果表明：在低雷諾數下，翅片管油冷器綜合性能占優勢，隨著雷諾數的增加，SP管油冷器綜合性能明顯提高，并逐漸優于翅片管油冷器，有很好的工程應用前景。

符號說明

As——殼程流通截面積，m2

cp——等壓比熱，J/(kg·K)

di——換熱管內徑，mm

dm——換熱管中心線直徑，mm

do——基圓直徑，mm

ds——殼程當量直徑

f——摩擦因子

F——換熱面積，m2

Gt，Gs——管殼程體積流量，kg/s

ht——管程對流傳熱系數，W/(m2·K)

hs——殼程對流傳熱系數，W/(m2·K)

Ti，To，ti，to——管殼程進出口溫度，℃

Δps——殼程壓降，Pa

L——換熱管長度，m

S——換熱管扭矩，mm

us——殼程流體流速，m/s

Res——殼程雷諾數

ρ——密度，kg/m3

μ——粘度，Pa·s

Q——熱負荷，W

K——總傳熱系數, W/(m2·K)

Fs——總管外傳熱面積，m2

Δtm——對數平均溫差，K

δ——換熱管壁厚，mm

λ——換熱管導熱系數，W/(m·K)

mt——管程流體質量流量，kg/s

n——換熱管根數

j——傳熱因子

Prs——普朗特數

Nus——努賽爾數

λs——殼程流體導熱系數，W/(m·K)

[1] 程浩, 馮毅, 陳佳. 高粘度流體橫掠花瓣管管束的參數優化[J]. 低溫與超導, 2012, 40(12): 50-55. (Cheng Hao, Feng Yi, Chen Jia. Parameter optimization of petal shaped fin tubes in crossflow of high viscosity fluid[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2012, 40(12): 50-55.)

[2] 尾花英一郎. 熱交換器設計手冊[M]. 北京: 石油工業出版社, 1982.

[3] R Hosseini A, Hosseini-Ghaffar, M Soltani. Experimental determination of shell side heat transfer coefficient and pressure drop for an oil cooler shell-and-tube heat exchanger with three different tube bundles[J].Apply Thermal Engineering, 2007, 27(5/6): 1001-1008.

[4] Li Yuanxi, Zhu Dongsheng, Jiang Xiang. Effect of tube type on the performance of oil-cooler with fin tubes supported by helical baffles[J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology, 2008, 26(1): 1-6.

[5] 張正國, 林培森, 王世平, 等. 螺旋隔板花瓣管油冷卻器的傳熱強化[J]. 化工學報, 2001, 52(6): 482-484. (Zhang Zhengguo, Lin Peisen, Wang Shiping, et al. Heat transfer enhancement of petal shaped fin tubes oil cooler with helical baffles[J].CIESC Journal,2001,52(6): 482-484.)

[6] 鄧先和, 王世平, 林培森, 等. 油冷器強化傳熱研究[J]. 化工學報, 1995, 46(2): 245-249. (Deng Xianhe, Wang Shiping, Lin Peisen, et al. Investigation of heat transfer enhancement of the oil cooler[J]. CIESC Journal, 1995, 46(2): 245-249.)

[7] 王楊君, 鄧先和, 李志武. 旋流片支撐縮放管管束的復合強化傳熱[J].化工學報, 2007, 58(9): 2190-2193. (Wang Yangjun, Deng Xianhe, Li Zhiwu. Compound heat transfer enhancement of converged-diverged tube supported by twisted-leaves[J]. CIESC Journal, 2007, 58(9): 2190-2193.)

[8] 錢頌文, 方江敏, 江楠. 扭曲管與混合管束換熱器[J]. 化工設備與管道, 2000, 37(2): 20-21. (Qian Songwen, Fang Jiangmin, Jiang Nan. Heat exchangers with torsion tubes and mixed tubes[J].Chemical Equipment and Pipeline, 2000, 37(2): 20-21.)

[9] 于洋, 朱冬生, 曾力丁, 等. 扭曲管強化傳熱性能實驗研究[J].化學工程, 2011, 39(2): 18-21. (Yu Yang, Zhu Dongsheng, Zeng Liding, et al. Experimental study on the performance of twisted tube heat transfer enhancement[J]. Chemical Engineering, 2011, 39(2): 18-21.)

[10] Tan Xianghui, Sun He, Zhang Lizhen, et al. Shell side heat transfer enhancement in twisted elliptical tube heat exchanger[J]. CIESC Journal, 2012, 63(3): 713-720.

[11] 王定標, 王宏斌, 梁珍祥. 扭曲三葉管傳熱與流阻性能的數值研究[J].化工學報, 2012, 63(7): 2064-2069. (Wang Dingbiao, Wang Hongbin, Liang Zhenxiang. Numerical research on heat transfer and flow resistance performance of twisted trifoliate tube[J]. CIESC Journal, 2012, 63(7): 2064-2069.)

[12] 錢頌文, 朱冬生, 李慶領, 等. 管式換熱器強化傳熱技術[M]. 北京: 中國石化出版社, 2008: 20-22.

[13] Xianghui Tan, Dongsheng Zhu, Guoyan Zhou, et al. Experimental and numerical study of convective heat transfer and fluid flow in twisted oval tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(17/18): 4701-4710.

[14] Moffat R J. Using uncertainty analysis in the planning of an experiment[J]. Journal of Fluids Engineering, 1985, 107(2): 173-178.

[15] 劉健鑫, 崔漢國, 代星, 等. 換熱器設計方案多級可拓綜合評價[J]. 化工學報, 2011, 62(7): 1970-1976. (Liu Jianxin, Cui Hanguo, Dai Xing, et al. Multilevel comprehensive evaluation for heat exchanger design schemes based on extension theory[J]. CIESC Journal, 2011, 62 (7): 1970-1976)

[16] 何雅玲, 陶文銓, 王煜, 等. 換熱設備綜合評價指標的研究進展[C]//工程熱物理學會傳熱傳質學學術會議. 西安: 工程熱物理學會, 2011.

[17] Webb R L.Heat transfer and friction characteristics of internal helical-rib roughness[J].Journal of Heat Transfer, 2000, 122:134-142.

[18] Webb R L. Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surface in heat exchanger design[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1981, 24(4): 715-726.

About the author

Huang Yuanyuan, female, master candidate, School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, +86 15901871622，E-mail: yyhuang111@126.com. Research fields: heat transfer enhancement and high efficiency heat exchanges.

Experimental Analysis of Oil Cooler Based on Trefoil Screwed Expansion Pipe

Huang Yuanyuan Zhou Guoyan Qian Tailei An Dongxu Yang Liu Zhu Dongsheng

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Key Laboratory of Pressure Systems and Safety of Ministry of Education, Shanghai, 200237, China)

The traditional oil cooler with smooth tube has low heat transfer coefficient and dead zone in shell side flow, and it easily produces dirt. The trefoil screwed expansion pipe is used to enhance the heat transfer of the traditional oil cooler. The heat transfer and pressure drop of the oil cooler with trefoil screwed expansion tube were tested in an experimental system and compared with oil cooler with smooth tube and oil cooler with outer finned tube respectively. The result shows that the oil cooler with trefoil screwed expansion tube improves heat transfer coefficient more significantly compared with oil cooler with outer finned tube, but is accompanied by a higher pressure drop. With Reynolds number increasing, the comprehensive performance of oil cooler with trefoil screwed expansion tube is better gradually than the oil cooler with outer finned tube , which means that oil cooler with trefoil screwed expansion tube has good application prospect.

oil cooler; trefoil pipe; heat transfer enhancement; comprehensive performance

0253- 4339(2015) 01- 0107- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.107

2014年4月18日

TK172; TQ051.5

A

黃媛媛，女，碩士研究生，華東理工大學機械與動力工程學院，15901871622，E-mail: yyhuang111@126.com。研究方向：高效節能設備與強化傳熱研究。