3種型式管殼式熱交換器綜合性能對比實驗研究

(廈門市特種設備檢驗檢測院， 福建 廈門 361004)

試驗研究

3種型式管殼式熱交換器綜合性能對比實驗研究

朱志彬

(廈門市特種設備檢驗檢測院， 福建 廈門 361004)

纏繞管式熱交換器具有結構緊湊、耐高壓以及換熱效率高等優點，目前對其換熱性能的研究比較少。采用實驗方法分別對列管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器以及螺紋纏繞管式熱交換器這3種不同型式的管殼式熱交換器的殼程傳熱性能進行了系統研究，并且利用單位殼程壓降來評價纏繞管式熱交換器的綜合性能。實驗結果表明，在殼程流體體積流量相同的情況下，螺紋纏繞管式熱交換器的殼程傳熱系數和壓降最高，3種不同型式熱交換器的單位殼程壓降隨殼程體積流量的增加而降低，且在殼程體積流量相同的條件下，螺紋纏繞管式熱交換器的單位殼程壓降最大，有利于節約成本。

熱交換器； 傳熱系數； 壓降； 纏繞管； 對比實驗

熱交換器是熱力系統中重要的關鍵設備之一，大量應用于能源、石油、化工、核能和制冷等領域[1-4]。在各種形式的熱交換器中，管殼式熱交換器由于結構簡單、制造材料來源較廣、操作彈性大、單位體積傳熱面積大及傳熱效果好等特點被廣泛應用[1]。列管式熱交換器管程和殼程的冷、熱流體溫度不同，當兩種溫差比較大的流體進行換熱時容易造成管束和殼體處局部應力集中，形成破壞[5-9]。纏繞管式熱交換器具有結構緊湊、換熱效率高、可耐高壓和可實現多股流換熱等特點，被廣泛應用于石化、空分、核能及化工等領域[10-20]。但由于其結構復雜、制造手段特殊，國內外對其研究不夠深入，因此纏繞管式熱交換器的換熱特性、流動特性以及各因素對熱交換器傳熱的影響機理尚不明確。為此，文中通過實驗測量了列管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器及螺紋纏繞管式熱交換器這3種不同型式管殼式熱交換器的傳熱系數、壓降等參數，對3種管殼式熱交換器的綜合性能進行對比研究。

1 熱交換器綜合性能實驗方法

1.1實驗方案及裝置

實驗中所采用的3種管殼式熱交換器的結構尺寸見表1。

管程熱水進口溫度控制在45 ℃左右，體積流量為0.60 L/s不變，依次改變殼程冷水體積流量為0.4 L/s、0.9 L/s、1.4 L/s，研究殼程體積流量對3種熱交換器傳熱效率的影響。傳熱和流動達到穩定后開始記錄數據。

表1 3種熱交換器主要幾何尺寸

熱交換器綜合性能實驗裝置及測量系統由供料系統、數據采集和處理系統以及實驗模型3部分組成，見圖1。

供料系統由燃油鍋爐及熱水泵連續供給高溫水，由水箱及冷水泵連續供給冷卻水，流量均可通過閥門調節。數據采集和處理系統包括壓力傳感器、鉑電阻、渦輪流量傳感器、電動調節閥、變頻器、轉矩傳感器、壓力表、顯示儀表、流量調節器、數據采集器和計算機等。

圖1中p0為調節閥兩端壓差，p1為冷水泵進口壓力，p2為冷水泵出口壓力，p3為熱交換器管程出口壓力，p4為熱交換器殼程進口壓力，p5為熱交換器殼程出口壓力，p6為熱交換器管程進口壓力，T1為熱交換器殼程進口溫度，T2為熱交換器管程出口溫度，T3為熱交換器管程進口溫度，T4為熱交換器殼程出口溫度，F1為冷水泵的流量，F2為熱水泵的流量。

圖1 熱交換器綜合性能實驗裝置及工藝流程

1.2實驗流程

為比較3種不同型式管殼式熱交換器的綜合性能，需測量熱交換器傳熱系數和殼程壓降。燃油鍋爐產生的熱水經熱水泵和閥門調節流量，送入熱交換器的管程，與殼程中的冷水換熱完成后經管路流回鍋爐。水槽的冷卻水經過閥門調節送入熱交換器殼程，與管程中的熱水進行換熱。管程、殼程中的流量由渦輪流量傳感器測量，進、出口壓力由壓力傳感器測量，進、出口溫度由溫度傳感器測量。所有傳感器信號經數據采集器轉換，通過計算機處理并顯示結果。

為保證實驗結果的可比性，測量前確保3種熱交換器的初始條件基本相同，待工況穩定后測量熱交換器各項數據。

熱交換器的傳熱速率可以表示為：

Q=KAΔtm

(1)

其中

A=πdonl

式中，Q為單位時間傳熱量，W；K為總傳熱系數，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；Δtm為平均溫差，℃；do為換熱管外徑，mm；n為換熱管數量；l為單根換熱管長度，m。

對于逆流傳熱，平均溫差為：

(2)

其中

Δt1=th1-tc2

Δt2=th2-tc1

式中，th1、th2為熱流體進、出口溫度，tc1、tc2為冷流體的進、出口溫度，℃。

Q可由熱流體放出的熱量或冷流體獲得的熱量進行計算：

Qh=qVhcph(th1-th2)

(3)

Qc=qVccpc(tc2-tc1)

(4)

式(3)和式(4)中，Qh、Qc為單位時間熱、冷流體放出的熱量，W；qVh、qVc分別為熱、冷流體體積流量，L/s；cph、cpc分別為熱、冷流體比定壓熱容，J/(kg·℃)。

由式(1)得冷、熱流體傳熱系數分別為：

(5)

(6)

則熱交換器總傳熱系數K為：

K=(Kh+Kc)/2

(7)

通過測量熱交換器殼程流體的進口壓力ps1、出口壓力ps2，便可以得到殼程流體流經熱交換器的總壓力損失：

Δp=ps2-ps1

(8)

2 熱交換器綜合性能實驗結果與討論

2.1殼程傳熱系數

按上述實驗方法測量得到的3種型式管殼式熱交換器實驗數據見表2。表2中qVt、qVs分別為管程、殼程流體體積流量，Δp為殼程壓降。

表2 3種型式管殼式熱交換器實驗數據

3種管殼式熱交換器殼程總傳熱系數與體積流量關系曲線見圖2。

從圖2可以看出，3種管殼式熱交換器的總傳熱系數均隨殼程水體積流量的增大而增大。這主要是因為隨著殼程體積流量的增加，熱交換器中流體的湍流程度增大，強化了對流傳熱效果，因而3種熱交換器總傳熱系數均隨體積流量的增加而增加。當殼程體積流量相同時，螺紋纏繞管式熱交換器總傳熱系數最高，列管式熱交換器總傳熱系數最低。這主要是因為相比其他兩種熱交換器，螺紋纏繞管中的螺紋提高了湍流程度，因而其傳熱系數最高。

圖2 3種型式管殼式熱交換器傳熱系數與體積流量關系曲線

2.2殼程壓降

3種管殼式熱交換器殼程壓降與體積流量關系曲線見圖3。

圖3 3種型式管殼式熱交換器殼程壓降隨殼程體積流量變化曲線

從圖3中可以看出，隨著殼程體積流量的增加，3種熱交換器殼程壓降均增加，且增加的幅度較快。在同等體積流量條件下，相比其他兩種型式的熱交換器，列管式熱交換器殼程壓降隨著體積流量增加的速度比較慢，而螺紋纏繞管式熱交換器與光管纏繞管式熱交換器殼程壓降隨體積流量的變化幾乎相同，表明螺紋對殼程介質的流動有一定的干擾，但對殼程壓降影響較小。

2.3綜合性能殼程傳熱系數和壓降是衡量管殼式熱交換器綜合性能(單位殼程壓降下的傳熱系數α/Δp)的主要指標，α/Δp的數值越大，說明熱交換器的綜合性能越好。3種管殼式熱交換器綜合性能指標與體積流量的關系曲線見圖4。

圖4 3種型式管殼式熱交換器綜合性能與體積流量關系曲線

從圖4中可以看出，隨著殼程介質體積流量的增加，3種熱交換器綜合性能均下降，且下降的幅度不同，其中螺紋纏繞管式熱交換器下降幅度較大，列管式熱交換器下降幅度較小。當殼程體積流量增大3倍時，3種熱交換器綜合性能指標隨體積流量的變化幅度降低。在殼程體積流量相同的情況下，3種熱交換器綜合性能從高到低依次是螺紋纏繞管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器、列管式熱交換器。因此，在同等條件下，選用螺紋纏繞管式熱交換器相比其他熱交換器能夠降低生產成本、提高企業效益。

從圖4中可以看出，隨著殼程介質體積流量的增加，3種熱交換器綜合性能均下降，且下降的幅度不同，其中螺紋纏繞管式熱交換器下降幅度較大，列管式熱交換器下降幅度較小。當殼程體積流量增大3倍時，3種熱交換器綜合性能指標隨體積流量的變化幅度降低。在殼程體積流量相同的情況下，3種熱交換器綜合性能從高到低依次是螺紋纏繞管式熱交換器、光管纏繞管式熱交換器、列管式熱交換器。因此，在同等條件下，選用螺紋纏繞管式熱交換器相比其他熱交換器能夠降低生產成本、提高企業效益。

3 結語

對3種不同型式管殼式熱交換器進行的綜合性能實驗結果表明，熱交換器殼程傳熱系數、壓降均隨殼程體積流量的增大而增大，但增大的幅度不同。在殼程體積流量相同條件下，螺紋纏繞管式熱交換器傳熱系數最大、壓降最小，列管式熱交換器傳熱系數最小、壓降最大，光管纏繞管式熱交換器傳熱系數和壓降介于兩者之間。采用單位殼程壓降下的傳熱系數衡量3種熱交換器綜合性能，螺紋纏繞管式熱交換器綜合性能要優于其他兩種熱交換器，在條件允許的情況下選用螺紋纏繞管式熱交換器有利于節約成本，提高經濟效益。

[1] 張杏祥，桑芝富.管殼式換熱器殼程傳熱性能比較[J].石油化工設備，2006，35(3)：8-10.

(ZHANG Xing-xiang，SANG Zhi-fu. The Research of Shell Side’s Heat Transfer Property for Different Shell-and-tube Heat Exchanger[J]. Petro-chemical Equipment，2006，35(3)：8-10.)

[2] 古新，董其伍，王珂，等.三種管殼式換熱器傳熱與流阻性能對比實驗研究[J].中國機械工程，2012，23(13)：1611-1615.

(GU Xin，DONG Qi-wu，WANG Ke，et al. Contrast Experimental Research on Heat and Flow Resistance Performance for Three Kinds of Shell-and-tube Heat Exchangers[J].China Mechanical Engineering，2012，23(13)：1611-1615.)

[3] 趙挺，楊仲民，叢敬同．繞管式換熱器管板應力的實驗研究[J]．石油化工設備，1995，24(1)：31-33.

(ZHAO Ting，YANG Zhong-min，CONG Jing-tong. Experimental Study of Tube Sheet for Wrapped-tube Heat Exchanger[J]．Petro-chemical Equipment，1995，24(1)：31-33.)

[4] 張登慶，李忠堂，王宗明.波節管管內換熱與阻力特性的實驗研究[J]．石油機械，2002，30(4)：4-6.

(ZHANG Deng-qing，LI Zhong-tang，WANG Zong-ming．The Corrugated Tube Heat Transfer and Resistance Characteristics of Experimental Research[J]．China Petroleum Machinery，2002，30(4)：4-6.)

[5] 蔣國光，王守業.彈性管束纏繞結構換熱器在化工流程中應用分析[J].通用機械，2010(9)：26-28.

(JIANG Guo-guang，WANG Shou-ye. Application Analyses for Elastic Tube Bundle Coil Structure Heat Exchanger Used in the Chemical Process[J].General Machinery，2010(9)：26-28.)

[6] 王萌萌，李彩霞，許世峰，等.管殼式換熱器的設計[J].化工機械，2014，41(6)：754-756.

(WANG Meng-meng，LI Cai-xia，XU Shi-feng，et al. Design of Shell and Tube Heat Exchangers[J]. Chemical Engineering & Machinery，2014，41(6)：754-756.)

[7] 錢頌文.管殼式換熱器強化傳熱技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

(QIAN Song-wen. Heat Transfer Enhancement for Shell-and-tube Heat Exchanger[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2003.)

[8] 顧維藻，神家銳，馬重芳，等．強化傳熱[M]．北京：科學出版社，1990．

(GU Wei-zao，SHEN Jia-rui，MA Chong-fang，et al. Strengthening Heat Transfer[M]. Beijing：Science Press，1990．)

[9] 黃衛星，陳文梅．工程流體力學[M]．北京：化學工業出版社，2001．

(HUANG Wei-xing，CHEN Wen-mei. Engineering Fluid Mechanics[M]．Beijing：Chemical Industry Press，2001．)

[10] 郭崇志，陳孝文.管殼式換熱器分段模擬數值方法的適應性研究[J].化工機械，2014，41(2)：198-202.

(GUO Chong-zhi，CHEN Xiao-wen. Adaptability Research of Segmental Simulation for Tube and Shell Heat Exchangers[J]. Chemical Engineering & Machinery，2014，41(2)：198-202.)

[11] 徐建民，王曉清．波節管管內流動和傳熱的數值模擬[J]．石油化工設備，2008，37(1)：4-7．

(XU Jian-min，WANG Xiao-qing．Numerical Simulation of Fluid Flow and Transfer in Corrugated Tubes[J]．Petro-chemical Equipment，2008，37(1)：4-7.)

[12] 吳峰.管殼式換熱器動態特性數值仿真[J].石油化工設備，2009，38(5)：21-25.

(WU Feng. Numerical Study on Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Corrugated Tube[J]. Petro-chemical Equipment，2009，38(5)：21-25.)

[13] Osman Abuhalima，張雋，孫琳，等.換熱網絡綜合中管殼式換熱器設計研究進展[J].計算機與應用化學，2015，32(1)：9-14.

(Osman Abuhalima，ZHANG Jun，SUN Lin，et al. Research Advances in the Design for Shell-and-tube Heat Exchangers of Heat Exchanger Networks[J]. Computers and Applied Chemistry，2015，32(1)：9-14.)

[14] 洪文鵬，辛凱，孫通，等.小尺度管殼式換熱器管程流場的數值仿真[J].計算機仿真，2013(3)：227-230.

(HONG Wen-peng，XIN Kai，SUN Tong，et al. Small-scale Numerical Simulation of Tube Shell Heat Exchanger Tube Side Flow Field[J]. Computer Simulation，2013(3)：227-230.)

[15] 曾文良，鄧先和.并流多通道管殼式換熱器殼程流場分布[J].化工學報，2011，62(12)：3352-3360.

(ZENG Wen-liang，DENG Xian-he. Shell-side Fluid Flow Field in Shell-and-tube Heat Exchanger with Multi-parallel-channel[J]. CIESC Journal，2011，62(12)：3352-3360.)

[16] 王守業.新型彈性管束螺紋纏繞換熱器特點及在深冷系統應用[J].機電信息，2011，5(14)：28-30.

(WANG Shou-ye. The Characteristics of New Elastic Tube Bundle Thread Winding Heat Exchanger and Its Application in Cryogenic System[J]. Mechanical and Electrical Information，2011，5(14)：28-30.)

[17] 張周衛，薛佳幸，汪雅紅，等.纏繞管式換熱器的研究與開發[J].機械設計與制造，2015(9)：12-17.

(ZHANG Zhou-wei，XUE Jia-xing，WANG Ya-hong，et al. Research and Develop on Coil-wound Heat Exchanger[J]. Machinery Design & Manufacture，2015(9)：12-17.)

[18] 陳永東，吳曉紅，修維紅，等.多股流纏繞管式換熱器管板的有限元分析[J].石油化工設備，2009，38(4)：23-27.

(CHEN Yong-dong，WU Xiao-hong，XIU Wei-hong，et al. FEA on Tube-sheet of a Multi-stream Spiral Wound Heat Exchanger[J].Petro-chemical Equipment，2009，38(4)：23-27.)

[19] 張周衛，薛佳幸，汪雅紅，等.LNG系列纏繞管式換熱器的研究與開發[J]. 石油機械，2015，43(4)：118-123.

(ZHANG Zhou-wei，XUE Jia-xing，WANG Ya-hong，et al.Research and Development of LNG Wound-tube Heat Exchanger[J]. China Petroleum Machinery，2015，43(4)：118-123.)

[20] 陳永東，張賢安. 煤化工大型纏繞管式換熱器的設計與制造[J].壓力容器，2015，32(1)：36-44.

(CHEN Yong-dong，ZHANG Xian-an. Design and Manufacturing of Large-scale Spiral Wound Heat Exchanger in Coal-chemical Industry[J]. Pressure Vessel Technology，2015，32(1)：36-44.)

(張編)

ContrastExperimentalResearchonThreeDifferentTypeofShell-and-tubeTubeHeatExchanger

ZHUZhi-bin

(Xiamen Special Equipment Inspection Institute， Xiamen 361004， China)

Screw spiral-wound exchanger possesses many advantages such as compact structure， pressure resistance，and high efficiency，and so on. However，there were relatively few studies on its heat transfer. In order to study its heat transfer，the shell heat transfer properties in three kinds of shell-and-tube heat exchanger as tubular exchanger，smooth spiral-wound exchanger，screw spiral-wound exchanger were investigated by experiment systematically. Each unit shell pressure drop was used to evaluate overall performances of heat exchanger，and the results showed that with the same fluid flow in shell side，the shell heat transfer coefficient and pressure drop of screw spiral-wound exchanger were highest. Shell pressure drop of three kinds of shell-and-tube heat exchanger decreases with increasing fluid flow in shell side，and with the same fluid flow in shell side per unit shell pressure drop of screw spiral-wound exchanger were highest.

heat exchanger； heat transfer coefficient； pressure drop； spiral-wound； contrast experiment

TQ051.5； TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.001

1000-7466(2017)03-0001-05①

2016-12-04

福建省質量技術監督局科技資助項目(FJQI2014021)

朱志彬(1979-)，男，福建泉州人，高級工程師，博士，主要從事特種設備檢測與節能評價工作。