管式換熱器傳熱系數的研究

齊 濟，劉春艷，方興蒙，姚暄澤，石 松

(大連民族大學 生命科學學院，遼寧 大連 116605)

傳熱不僅是自然界中普遍存在的能量傳遞現象，也是工業生產中最常見的單元操作過程之一。無論在能源、化工、動力、冶金、機械等工業過程中，還是在建筑、農業、環境保護等領域，都涉及傳熱過程。傳熱與化工生產的關系尤為密切，在化工生產裝置中，換熱設備占裝置工藝設備總數的48%左右，因此傳熱技術水平是化工設備效率的關鍵[1-7]。

在提高傳熱效率的方法中，管內加入螺旋絲是一種經濟方便的方法，螺旋絲加工簡單，特別適合于現有設備改造。管內加螺旋絲由波蘭人A.Klaczak于1964年提出，1969年Date等人對流體做湍流運動時的準關聯式進行了實驗研究。S. Lal對螺旋線圈進行了實驗研究，得出線圈最佳螺距。Utartwar和Raja研究了管內插入7種不同尺寸螺旋線圈強化傳熱,傳熱系數可提高3.5倍[8]。Syed Muhammad Ammar等人對微通道溝槽多端口扁平管換熱器的冷凝傳熱系數進行了研究，得出冷凝傳熱系數隨飽和溫度的增加而減小，隨流量的增大而增大[9]。在國內，張至英等通過實驗考察了螺距、鋼絲直徑與黃銅管內徑的比值對傳熱及流動阻力的影響，結果表明，螺旋線圈對強化單相強制對流傳熱有一定的效果，給熱系數為光管的133%～440%[10]，姚壽廣等研究了螺線圈強化傳熱元件結構尺寸的優化問題，實驗表明螺旋線圈直徑、螺距以及雷諾數 Re 對傳熱和流動阻力都有影響[11]；歐劍云等對螺旋線圈強化傳熱的傳熱效果與阻力特性進行了分析，得出在管內添加螺旋線圈能夠有效地提高傳熱效果的結論[12]；韓繼廣等對管內插入扭帶及螺旋線圈的傳熱與阻力特性進行了實驗研究，得出了普遍適用的準數關聯式，分析了管內強化傳熱的內在機理[13]。

本文在現有研究的基礎上，探討插入螺旋線圈的套管換熱器和列管換熱器的不同管程流動布置等因素對傳熱系數的影響，對準數關聯式的影響，為換熱器改造和優化，提高傳熱效率，減少能源損耗，提高經濟效益提供基礎數據。

1 實驗裝置及方法

螺旋線圈的結構如圖1。螺旋線圈由直徑3 mm的鋼絲按一定節距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內即可構成一種強化傳熱管。螺旋線圈處于壁面附近，與壁面的相互作用能使流體分子團在低流速下產生宏觀的徑向位移，形成徑向-軸向的疊加混合運動，使管內主流區內流體不同溫度各部分的分子團之間混摻增強，從而提高傳熱系數。由于繞制線圈的金屬絲直徑很小，流體旋流強度也較弱，所以阻力較小，有利于節省能源。

圖1 螺旋線圈實物圖

1.1 傳熱實驗裝置

本實驗研究的裝置(由天津大學組裝)及流程如圖2。實驗進行時，先向儲水罐中加入蒸餾水至液位計上端處。隨著加熱的進行，蒸汽發生器將不斷地產生水蒸氣，并沿水蒸氣輸送管路上升。

1-列管換熱器空氣進口閥；2-套管換熱器空氣進口閥；4-壓差傳感器；6-空氣旁路調節閥；7-旋渦氣泵；8-儲水罐;9-排水閥；10-液位計；11-蒸汽發生器；12-散熱器；13-套管換熱器；14-套管換熱器蒸汽進口閥；15-列管換熱器；16-列管換熱器蒸汽進口閥；17-玻璃觀察段；18-不凝氣放氣閥；P1-壓差傳感器。

在進行套管實驗時，將列管換熱器閥門全部關閉，打開套管蒸汽入口閥，此時蒸汽進入套管換熱器內，空氣通過旋渦氣泵輸送至套管換熱器內管，在管壁與水蒸氣發生熱交換。通過空氣旁路調節閥調節空氣流量，以改變空氣側的對流傳熱系數，從而改變換熱量。套管強化實驗，即在套管換熱器內管插入螺旋絲，其他條件與普通光滑管一致。

在進行列管換熱實驗時，根據實驗設計，改變換熱器的管程流動排布方式(將特定的管路堵住或加入螺旋絲)。將套管換熱器閥門全部關閉，打開蒸汽入口閥，此時蒸汽進入列管換熱器環隙內，空氣通過旋渦氣泵輸送至列管換熱器管內，與水蒸氣發生熱交換。通過空氣旁路調節閥調節空氣流量。

1.2 設備結構與管件參數

設備與管件參數見表1。

表1 實驗裝置結構參數

2 數據處理方法

2.1 套管換熱器實驗數據處理方法

2.1.1 對流傳熱系數αi的測定

空氣對流傳熱系數αi和總傳熱系數K根據牛頓冷卻定律、對數平均溫差、傳熱面積、熱負荷等進行計算，公式如(1)至(9)所示。

Qi=αi×Si×Δtm；

(1)

(2)

(3)

因為換熱器內管為紫銅管，其導熱系數很大，且管壁很薄，故認為內壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw來表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。

管內換熱面積用式(4)計算，熱負荷按式(5)計算。

Si=πdiLi；

(4)

Qi=Wicpi(t2-t1)；

(5)

(6)

2.1.2 空氣側對流傳熱系數準數關聯式的實驗確定

流體在管內作強制湍流，被加熱狀態，式(8)為準數經驗關聯式，由此式計算出空氣側對流傳熱系數。

(7)

(8)

2.1.3 蒸汽側對流傳熱系數的實驗確定

用式(8)求出總傳熱系數K，用式(10)近似求出蒸汽端的對流傳熱系數α0。

(9)

(10)

2.2 列管換熱器的處理方法

列管換熱器的總傳熱系數由式(11)至(15)計算得出：

傳熱速率方程式Q=Ko×So×ΔTm；

(11)

熱量衡算式Q=Cp×W×(T2-T1)；

(12)

(13)

(14)

So=n·πdoLo。

(15)

3 實驗結果與討論

3.1 套管換熱器

3.1.1 空氣側對流傳熱系數比較

不同雷諾數下的對流傳熱系數對比如圖3。

由圖3可知，隨著雷諾數Re的增加，湍流程度加大，流速增大，兩種傳熱管的對流傳熱系數都隨之提高。普通光滑管擬合公式為：α=0.0021Re+18.13；強化粗糙管擬合公式為：α=0.0044Re+17.794，由擬合公式可以看出強化管的斜率高于光滑管。在實驗范圍內，雷諾數相同的情況下，強化粗糙管對流傳熱系數大于光滑圓管，可見強化管的傳熱效果比普通管好。這是由于在靠近壁面的部分流體受到螺旋線圈的擾流作用產生螺旋狀旋轉運動，切向加速度產生離心力隨之增大，離心力取決于流體顆粒的局部軸向速度，這種離心力，在管子的橫截面上分布不均勻，促進了流體中的二次流動。原因是在管芯中流動的流體顆粒與靠近管壁流動的流體顆粒之間的軸向速度的差異，在傳熱面形成較高的剪切力，破壞層流底層，增強流體在同一截面的混合，降低傳熱阻力；流體還周期性地受到線圈的擾動，增強了流體的湍動程度，達到了傳熱強化的效果[14]。

圖3 不同雷諾數下的對流傳熱系數對比(雙對數坐標)

3.1.2 空氣側準數關聯式的比較

在本實驗條件下處理得到的準數關聯圖如圖4。對于光滑套管的準數關聯式為：Nu0=0.0197Re0.7896Pr0.4；經典經驗公式為Nu=0.023Re0.8Pr0.4(此式應滿足條件①雷諾準數Re>10 000，②普朗特準數0.650，④流體粘度μ<2mPa·S。)[15]，本研究中的實驗滿足以上四個條件，準數關聯式中，指前因子和雷諾準數的指數均有減小。造成的原因是由于在實驗的過程中存在熱損失。對于粗糙管的滿足此式：Nu=0.0189Re0.852Pr0.4；將其和光滑的準數關聯式對比可以得出，雖然指前因子小于光滑管，但雷諾準數的指數大于光滑管，說明傳熱強化能力與流體的流動形態和流體速度密切相關，隨著流量的增加，流速提高，流體湍流程度增強，強化比Nu/Nu0越來越大，且大于1，強化效果明顯。這表明在管程內部插入螺旋絲可以有效強化換熱，是一種方便經濟的方法。

圖4 準數關聯圖(雙對數坐標)

3.1.3 蒸汽側對流傳熱系數比較

蒸汽側對流傳熱系數對比圖如圖5。可以看出：隨著流量的增加，流體的流速增大，兩種管的蒸汽側對流傳熱系數均隨流量的增大而增大，其中隨流量變化，對流傳熱系數變化較為平緩的是光滑圓管，強化管的趨勢明顯高于光滑管。圖4已表明，管內強化絲使管內空氣側對流傳熱系數增大，管內強化層流內層變薄，使管壁熱傳導的速度加快，管外管壁溫度降低，蒸汽冷凝速度加快，進而加強蒸汽側近壁面處流體與壁面之間，管壁與管外流體之間的熱量交換，在層流和湍流狀態下，這種現象促進了速度分布的局部最大值，通過增強傳熱來局部地增加壁上的溫度梯度，同時導致對流熱量的顯著變化[16],從而增大了蒸汽端的對流傳熱系數。

圖5 蒸汽對流傳熱系數的對比

由圖5的實驗結果可以看出，蒸汽對流傳熱系數的范圍在600-1600(W/(m2·K)，與Syed Muhammad Ammar等的研究結果一致，遠遠大于空氣側對流傳熱系數，總傳熱系數更接近于空氣的對流傳熱系數，因此，若想提高傳熱系數，應設法提高空氣側對流傳熱系數，本實驗表明提高空氣側的對流傳熱系數的同時，蒸汽側的對流傳熱系數也隨之增加，總傳熱系數升高顯著。

3.2 列管換熱器

列管換熱器管程位置標號如圖6。

圖6 關于列管換熱器位置編號的說明

3.2.1 管程流通位置的影響

不同管道流通時的總傳熱系數如圖7。由圖7可以看出5號管與3號管傳熱系數隨流量的變化趨勢相同，在流量與傳熱系數關聯圖上重合，而6號管的變化趨勢與3號管和5號管有較大的差異，說明除了6號管外，其他位置的傳熱效果相同。因此設計實驗時對于這兩個位置著重設計，進行實驗對比。

圖7 不同位置流通對比圖

3.2.2 列管換熱器總傳熱系數范圍

通過實驗與數據計算，得出本實驗中的列管換熱器總傳熱系數范圍見表2。可以看出：隨著換熱面積的增加，總傳熱系數K整體呈現下降趨勢。為提高換熱量Q(Q=Δtm×A×K)，則要增加傳熱面積，就必須增加換熱管數量N，而介質在管束中的流速隨著換熱管的增加而下降，結果反而使流體的傳熱系數降低，即增加換熱管不一定能滿足提高換熱量的要求。因此要保持流體在換熱管束中較大流速可將管束分成若干程數，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對流傳熱系數[17]。

表2 列管換熱器傳熱面積與K值的范圍

3.2.3 不同管程分布的總傳熱系數對比圖

不同管程排布的總傳熱系數如圖8(通過做圖分析流通管數大于1時，傳熱系數與流通位置無關，僅與傳熱面積相關，因此圖8未展示全部相同傳熱效果的流通方式，僅以一種為代表作圖)。隨著流量的增大，所有管程排布方式的總傳熱系數都逐漸變大。這是由于隨著流量的增加，強制對流效應變得更加突出，質量通量是環形流態增大，傳熱系數增大。傳熱系數也隨著蒸汽質量的增加而增加。在較高的蒸汽流量下，液膜阻力減少，這意味著熱阻降低，傳熱系數增加[17]。

圖8 未插入螺旋絲的不同管程分布的總傳熱系數

在相同的流量下，不同管程排布與傳熱系數K的大小關系為：中心管流通>邊緣管流通>兩根管流通>三根管流通>四根管流通>五根管>全流通。說明不同管路流通排布方式對傳熱系數有影響。

單根管(6號管)流通的傳熱系數最高。這表明增加管程流通的根數，傳熱面積增加的同時，會降低管內流體的流速，降低傳熱系數。因此在列管換熱器中，為保持流體在換熱管束中有較大的流速，可將管束分成若干程數，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對流傳熱系數。

插入螺旋絲對總傳熱系數影響的對比圖如圖9。由圖9可見，全流通(全部流通)和全流通邊緣管強化(1號等)的傳熱系數與流量的關系趨勢基本吻合，并且其傳熱系數大于中心管強化全流通的傳熱系數K；這是由于加入強化絲導致層流內層變薄熱阻減小，但也同時導致阻力增大，流速降低，導致傳熱效率降低，其邊緣管插入螺旋線圈與不插入螺旋線圈效果相同。而對于6號管，插入螺旋線圈，引起熱阻減少的效果遠不及產生的流動阻力，最終導致對流傳熱系數降低。

圖9 強化總傳熱系數對比

強化全流通(全流通時在某根管內插入螺旋絲)的傳熱系數最低。在換熱器內部插入強化絲，流體從管中心區域沿徑向向外推動，在螺旋線圈作用下，近壁處流體分叉朝向管中心區流動，從而形成一對循環的反向旋轉渦流，通常稱為渦流。這種現象引起速度分布的局部最大值，通過最大化熱傳遞局部地增加管壁處的溫度梯度。這種額外的對流傳輸也增加了相對于直管流動的壓降，導致傳熱效率降低[18-24]。因此對于本實驗條件的列管換熱器，插入螺旋絲不能達到理想的強化傳熱的效果(多根管路強化效果差于單根管路強化)。

3.2.4 列管換熱器單管流通的比較

在列管換熱器中，做單管流通實驗，對其數據進行套管換熱器處理，得到以下準數關系式：對于6號管滿足此式：Nu=0.012Re0.9105Pr0.4；對于1號管滿足此式：Nu=0.0182Re0.8568Pr0.4。中心管6號湍流程度強于1號管，傳熱系數高于1號管。兩根管的準數關聯式相對比，可以看出，隨著流速的增加，中心管(6號)流通的換熱效果強于邊緣管。

4 結 論

(1)套管換熱器中，在傳熱管內插入螺旋絲可以在提高空氣側對流傳熱系數的同時，也增加蒸汽側的對流傳熱系數，隨著流量的增加，強制對流效應變得更加突出，強化效果增強。但應注意傳熱增強與泵輸送功率降低之間的沖突問題，進行對流傳熱優化(可參考BEG原理)。

(2)列管換熱器中，管程流動分布對總傳熱系數有影響，中心管(6號)流通時的總傳熱系數最大，除中心管外，其他邊緣管的傳熱效果相同。在換熱器的設計中，若適當增加中心管的面積，可以達到增強換熱的效果。

(3)列管換熱器中，隨著流通管數的增加，傳熱面積隨之增大，但流速隨之降低，導致總傳熱系數減小。若要保持流體在換熱管束中較大流速，可將管束分成若干程數，使流體依次通過各程換熱管，以增加流體流速，提高對流傳熱系數。

(4)列管換熱器中，插入螺旋強化絲，增強流體在管內擾動，使湍流程度增加，不斷地破壞層流底層，減小熱阻，但由于加入螺旋線圈導致流動阻力增大致使強化效果不理想。設計變化其他結構參數，如更換螺旋線圈的類型(如繞花絲內插物等)，以達到減小阻力，增大湍流程度，達到強化換熱的效果，還有待進一步研究。