基于強化傳熱技術不同類型換熱管傳熱特性的比較

楊宏嶺，徐冠群

（1京鼎工程建設有限公司，北京100101；2國家糧食儲備局武漢科學研究院設計院，湖北 武漢 430079）

基于強化傳熱技術不同類型換熱管傳熱特性的比較

楊宏嶺1，徐冠群2

（1京鼎工程建設有限公司，北京100101；2國家糧食儲備局武漢科學研究院設計院，湖北 武漢 430079）

本文從換熱器的簡介入手，隨后對強化傳熱技術進行了分析，并在此基礎之上，通過實驗的方法，對三種類型的管式換熱器的傳熱特性進行了研究。結果表明，經過強化傳熱的螺旋管換熱器具有良好的傳熱特性。

螺旋管；強化傳熱技術；傳熱特性

1 換熱器簡介

換熱器是一種應用領域較為廣泛的熱能轉化設備，其中管式換熱器以其自身結構簡單、生產工藝簡單、處理能力強、適用性好等優點，被廣泛應用在機械、冶金、制冷等諸多領域當中。雖然其它類型的換熱器在近年來不斷涌現，但仍未改變管式換熱器在市場中的主導地位，其市場份額仍在70％以上。鑒于此，有必要對管式換熱器的傳熱性能進行提高，這不但能夠為企業節約一定的資金，而且還能降低能耗。

2 強化傳熱技術分析

人們對強化傳熱技術的關注與重視開始于19世紀末期，然而限于當時的技術條件非常有限，加之很多實驗都無法應用到實際當中，所以曾一度使強化換熱技術的研究速度減緩，可將這個時期的強化傳熱技術歸為第一代技術；到了上個世紀70年代中后期，全球性的石油危機逐步影響到了各個國家，在這一背景下，節能降耗成為各個國家研究的重點課題，這也在一定程度上推動了強化傳熱技術的發展，該階段的強化傳熱技術獲得了一定的進步和完善，也由第一代技術向第二代技術過渡，這一代技術的實質就是在消耗能量保持不變的前提下，盡量多地為某些過程傳遞熱量；強化傳熱技術由第二代向第三代的過渡是在上個世紀90年初期開始的，并在當時取得了非常顯著的成果，直至近些年，第四代強化傳熱技術被提出。根據相關專家的研究結果，大體上可將強化技術分為兩大類，一類是被動型，另一類是主動型，前者的特點是無需借助外力，而后者則需要在換熱過程中額外增加能量。由于強化傳熱技術的不同，從而使得與之相對應的傳熱機理也均不相同，但無論何種強化傳熱技術，其最終目的都是為了提高換熱效率。從目前的具體應用情況看，最為常用的方法就是提高換熱器的總傳熱系數，如對換熱器管壁進行改進，使壁面形成螺旋狀，借此來增加有效傳熱面積，這樣便可在換熱量相等的情況下，降低能耗。

現階段，冷凝強化換熱管普遍應用于工業領域。本論文主要討論比較管外冷凝工況相同的條件下螺旋管（這種管型是在螺旋片強化套管的基礎上經過改進后獲得的，其傳熱效果較好）、脊型肋管、圓形肋管三種冷凝強化管的強化效果。三種管型如圖2所示。

螺旋管主要是由光管為主要材料加工而成，斷面的形狀近似于橢圓，以一定的角度旋轉。相比較于光管，螺旋管以其擾流的形狀，可以對于通過的介質造成干擾，不僅可以使得層流底層的厚度降低，而且還能夠使平均換熱系數提高，以實現強化傳熱的目的。

近些年來，關于微肋管的傳熱功效，已經有過很多研究。其強化效果主要體現為管內凝結和沸騰狀況，相比較于傳熱，且阻力增加的幅度要小很多。微肋管具有強化傳熱作用，主要在于其特殊的幾何結構對于管周圍的二次環流具有誘發的作用。

3 基于強化傳熱技術不同類型換熱管傳熱特性的比較

3.1 實驗儀器

在本次實驗中，使用的主要儀器如下：精密壓力表，型號為YB150、該儀器的測量精度等級0.25、換熱器（可拆卸更換換熱管）、DZF電熱蒸汽發生器、溫度計、貯水箱、水泵、電磁流計量、U型水銀壓差計、同等長度及等內徑的螺旋管、脊型肋管、圓形肋管等等。

3.2 實驗流程

為了保證本次實驗結果的準確性，在實驗正式開始之前，需要對換熱管的表面進行清潔處理，保證換熱管內外無污垢。同時還需要對儀器儀表的性能和狀態進行檢查，看其是否正常，然后對接線和電源進行檢查，確認無誤后，開啟電源，設置好相關參數后，便可開始實驗。本次實驗換熱器殼程的蒸汽與管程的冷卻水并流換熱。流程如圖1所示。

圖1 實驗流程示意圖

1）將螺旋管裝入換熱器內，擰緊，檢查無泄漏。向DZF電熱蒸汽發生器和貯水箱內注入一定量的冷卻水。檢查無誤后，開啟水泵及水泵出口閥門，促使管程冷卻水循環。之后，開啟蒸汽發生器的電源，對DZF電熱蒸汽發生器內冷卻水水進行加熱產生蒸汽，打開蒸汽出口閥門，讓蒸汽流入，并使蒸汽在相應設備中流通30min左右，待整個蒸汽通道內排除不凝氣體之后方可進入實驗階段。

2）調節水泵出口閥門將冷卻水速度設置為固定值，同時保持冷卻水入口溫度始終保持在一定的溫度，并且保證蒸汽入口的壓力與溫度處于穩定狀態。待管殼程流體達到穩定狀態之后，分別記錄下此時冷卻水出口與蒸汽出口溫度。當冷卻水進入到換熱系統中之后，假設流入入口之前的溫度為t1，流出后的溫度為t2，那么冷卻水所帶走的熱量即為：Q=WCp(t2-t1)。蒸汽的入口溫度為T1，出口溫度為T2，蒸汽所消耗的熱量為Q=WCp(T2-T1)。（其中，Q為熱量；Cp為水的比熱容，W為冷卻水的流量）。

3）調節水泵出口閥門，改變冷卻水的流量，并記錄冷卻水流量，依次記錄不同流量下冷卻水出口與蒸汽出口溫度，依據熱量方程計算不同流量下冷卻水帶走的熱量。

4）整體實驗完成后，將各個閥門、蒸汽發生器、控制柜電源關閉。

5）將換熱器內螺旋管拆卸下來，分別換上脊型肋管、圓形肋管，并在工況相同的條件下按照上述步驟進依次進行流動、傳熱測試，記錄相應的結果即可。

3.3 實驗結果分析

依據相關的研究結論傳熱系數在流體處于湍流狀態（雷諾數Re＞4000時，一般為湍流）下的傳熱系數最佳。因此本實驗主要研究針對流體處于湍流狀態下傳熱系數的比較，實驗數據都是在流體處于湍流狀態下獲得。在計算總傳熱系數時，將管外視為蒸汽冷凝，將管內視為冷卻水被蒸汽發生器加熱，忽略不計管壁上所產生的熱阻。基于本次實驗數據結果，對實驗數據進行合理化處理分析，對傳熱系數K進行校正處理，根據雷諾數方程Re=dup/μ，（其中，d為管內徑，u為流體的流速，p為流體的密度，μ為流體的粘度）、傅里葉方程Q=KSΔT（其中，Q為熱量，K為傳熱系數，ΔT平均溫差，S為換熱面積）及Gnielinski關聯式，對獲取螺旋管的實驗數據進行處理，并且在工況不變的前提下，與圓形肋管和脊形肋管進行對比得出螺旋管、圓形肋管、脊形肋管流體流動狀態與對流傳熱系數的關系，如圖3所示。

圖3 三種管型傳熱特性比較

經過對實驗數據的校正處理之后，可以看出：當Re在一定的范圍內，冷卻水對螺旋管的對流傳熱系數達到了一個較高標準，其傳熱特性比較理想。螺旋管的內強化傳熱效果在低Re的情況下最佳，當Re增大后，管內的傳熱優勢會有所減小，但在實驗Re的范圍內，螺旋管的總傳熱系數最大，其殼側的傳熱特性也非常良好，并且要優于其它兩種管型。此外，螺旋管的加工效率較高，成本也比另外兩種管型更低，所以，它更適合在實際中應用。

4 結論

綜上所述，本文通過實驗的方法對三種類型的管式換熱器的傳熱特性進行了研究。實驗結果表明，在工況相同的情況下，同時的流體流動狀態Re處于一定范圍的條件下螺旋管換熱器的傳熱特性最佳。因此，建議在實際應用中以螺旋管換熱器作為首選。

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