小尺度管殼式換熱器殼側阻力的特性研究

洪文鵬 金明亮 牛國慶

(東北電力大學能源與動力工程學院)

當前石油化工領域中，換熱器設備在余熱回收、精餾塔塔前預熱、塔頂冷凝冷卻及塔底再沸等方面應用非常廣泛[1]。管殼式換熱器是化學工業的主要換熱設備之一，具有高度的可靠性和廣泛的應用性[2]，但存在低溫腐蝕問題。為了解決酸露點腐蝕問題，聚四氟乙烯換熱器應運而生，并得到了迅速發展[3]。聚四氟乙烯小尺度管殼式換熱器具有高換熱面積、高體積比、強抗腐蝕性、防污塞、流動阻力小、柔韌性好及價格低廉等諸多優點[4]。近年來，小尺度管殼式換熱器已經成為換熱器基礎研究和工程應用領域的重要研究課題之一，國內外多位學者通過實驗和數值仿真對換熱器流體橫掠管束的傳熱、阻力系數和管束間流型進行了大量研究。

在實驗方面：何國庚等對不同管排數的翅片管空氣冷卻器風側阻力特性進行了實驗研究，并將實驗結果與空氣冷卻器常用風阻計算公式的計算結果進行了對比分析[5]；李慶領和郭玉玲對設有叉排橢圓棒束的矩形通道內換熱和流阻特性進行了實驗研究，通過對通道的總體平均放熱系數和阻力系數進行計算，得到了實驗雷諾數范圍內兩種管束的實驗結果[6]；Lu G D等通過改變螺旋管束和光滑管束的橫向、縱向管間節距比進行了對比實驗，得到了相應條件下的傳熱特性和阻力系數[7]。

在數值模擬方面：洪文鵬等針對小尺度管殼式換熱器管間距直接影響換熱效果的問題，利用CFD軟件Fluent分別對3種不同結構管束的管程流場和殼程流場流動進行了仿真，得到了小尺度管束在不同結構下的流場、壓力場和渦量場的分布[8～10]。何法江和曹偉武在不同入口流速下，對空氣橫掠錯列翅片管束的流動和傳熱性能進行了數值模擬，得到了湍流條件下的努塞爾準則數、歐拉準則數與雷諾準則數之間的關系式[11]。

但對小尺度聚四氟乙烯管殼式換熱器的實驗研究還很少。筆者通過風洞實驗，采用動態數據采集系統測量了不同雷諾數下，空氣橫掠順列、錯列管束的兩端差壓波動信號，對小尺度管殼式換熱器殼側阻力的特性進行了研究。

1 實驗裝置及方法

實驗是在自行設計搭建的截面81mm×81mm的矩形吸氣式直流風洞中進行的，該實驗裝置主要包括風洞本體和動態數據采集系統兩部分。

風洞本體包括穩定段、收縮段、測試段、實驗段、擴散段、連接段和離心式吸風機(圖1)。實驗過程中，常溫空氣由風洞雙曲線吸風口進入，經蜂窩器和阻尼網整流進入實驗段，最后由離心風機出口排出。風機風速可通過調速開關進行無級調速，以達到改變實驗工況的目的。

圖1 矩形吸氣式直流風洞結構簡圖

動態數據采集系統主要由皮托管、微差壓變送器、鉑熱電阻、溫度變送器、250Ω標準電阻板、24V恒壓電源、數據采集儀和微型計算機組成。皮托管為LPT-04-200型標準皮托管；微差壓變送器為美國alpha公司生產的測量精度為0.4%，量程為±250Pa和±1.5kPa的變送器；溫度變送器為SBWZ型溫度變送器，測量精度為0.5%；數據采集儀為IDTS-4516U型16通道采集儀。

實驗段是由厚度為4mm的有機玻璃板組成的截面尺寸為81mm×81mm的矩形通道(圖2)，長200mm，在內部分別布置P/D=1.5的10mm×10mm順列結構和錯列結構管束。其中，小尺度聚四氟乙烯光滑圓管的外徑D為6mm，長為81mm。

圖2 實驗段管束布置示意圖

實驗過程中，首先選取某一結構管束作為風洞實驗段進行安裝。檢查測量儀器和風洞密封情況，確認無誤后，通過風機調速開關，調整風機功率大小，改變實驗段前來流速度。風機功率由小到大依次增加，共改變6次風機功率。

每改變一次風機功率，在實驗段前的測試段上，使用皮托管配合±250Pa微差壓變送器對實驗段入口風速進行測量。風速測量值按皮托管同一測點的不同插入深度取平均值，每個工況共取5個測點。在實驗段入口使用鉑熱電阻配合SBWZ型溫度變送器對入口空氣溫度進行測量，以對皮托管進行溫度補償的目的。在實驗段前后測試段的有機玻璃板四壁開小孔取壓，配合±1.5kPa微差壓變送器測量空氣流經實驗段的壓力損失。當各個測量儀器讀數穩定時，通過計算機上的Dasview 2.0軟件界面，記錄下動態數據采集儀所采集到的各儀器測量結果相對應的電壓值。一組實驗結束后，更換實驗段，重復上述實驗步驟，完成實驗內容。

2 實驗數據處理

不同工況下風洞內氣體密度的計算式為：

(1)

式中Ba——大氣壓力，Pa；

ps——測量斷面內氣體靜壓，Pa；

ts——測量斷面內氣體平均溫度，℃；

ρn——標準狀態下氣體密度，kg/m3；

ρs——測試工況下氣體密度，kg/m3。

風洞內來流速度為：

(2)

式中Kp——皮托管修正系數；

pd——測定點氣體動壓，Pa；

Vs——測定點流速，m/s。

管束當量直徑的計算式為：

(3)

式中A——有效截面積，m2；

De——管束的當量直徑，m；

χ——濕周，m。

管外雷諾數的計算式為：

(4)

式中Re0——管外雷諾數；

Smax——測試段風道面積，m2；

Smin——管束最窄通道截面積，m2；

Vmax——管束最窄截面處的流速，m/s；

ν0——空氣運動粘度，m2/s。

由此可得，空氣橫掠管束的無量綱阻力準則數為：

(5)

式中Eu0——管外歐拉數；

Δp0——實驗段兩端壓降，Pa。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗結果

對動態數據采集儀所采集的電壓信號進行處理，可以得到順列、錯列管束各工況的實驗段入口靜壓、皮托管測點動壓、管束兩端壓降和風洞入口空氣溫度。將處理過的實驗數據代入式(1)～(5)進行計算，最后可以得到相應流速下順列、錯列管束對應的雷諾數和歐拉數(表1)。

表1 不同流速下兩種管束的實驗結果

3.2 實驗分析

根據實驗結果可以得到順列、錯列管束在不同來流速度下，實驗段兩端壓降和歐拉數隨雷諾數的變化曲線，即Δp0-Re0曲線和Eu0-Re0曲線(圖3、4)。

從圖3可以看出，兩種結構管束的壓降都隨著雷諾數的增加而增大，而且錯列管束壓降大于順列管束壓降，這說明增大流速的同時也增加了介質的流動阻力。由于管束錯列布置時，空氣在管束間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，累加的壓力損失大于順列管束使風機功耗增加，換熱經濟性較差。但錯列管束便于緊湊布置，在相同的空間內可以布置更多的管子，有效地增加了換熱面積。

從圖4可以看出，兩種結構管束的歐拉數都隨著雷諾數的增加而增大，并在相同的節距比下，錯列管束的歐拉數明顯大于順列管束的歐拉數。因此，橫掠小尺度光滑圓管管束的阻力和阻力系數除了與來流速度有關外，還與管束的幾何結構有關。

為了更好地研究小尺度管殼式換熱器殼側阻力的特性，筆者對順列、錯列管束的流動阻力實驗數值與相關文獻中殼程阻力計算公式所計算的理論數值進行了比較。文獻[12]中橫流沖刷光管管簇阻力的計算式為：

圖3 兩種管束壓降隨雷諾數變化曲線

圖4 兩種管束歐拉數隨雷諾數變化曲線

(6)

式中 Δh——橫流沖刷光管管簇的阻力，Pa；

ω2ρ/2——動壓，Pa，按管簇截面面積、空氣平均溫度計算流速ω和密度ρ；

ζ——管束的阻力系數，與管簇的構造形式有關。

把實驗兩種結構管束的實驗值與按文獻[12]計算的理論數值進行比較，繪得Δp0-Re0曲線和Eu0-Re0曲線(圖5、6)。

圖5 管束壓降隨雷諾數變化對比結果

圖6 管束歐拉數隨雷諾數變化對比結果

從圖5、6可以看出，按文獻[12]計算的理論數值與實驗數值相比具有一定的差別。在圖5中，兩種結構管束的壓降隨雷諾數變化趨勢相同，但按文獻[12]計算的理論數值明顯高于實驗值。在圖6中，兩種結構管束的歐拉數隨雷諾數的變化趨勢卻出現了相反的情況，實驗結果的歐拉數隨雷諾數的增加而增大，而按文獻[12]計算的歐拉數卻隨雷諾數的增加而減小。

由此可知，在實驗雷諾數范圍內，適用于計算常規尺度橫掠光滑圓管管束的流動阻力公式，不能為小尺度管殼式換熱器殼側阻力的計算提供準確參考。將表1的實驗結果按Eu=CRem進行對數線性回歸[13]，得到順列結構和錯列結構管束在實驗工況下的阻力特性關聯式：

順列管束Eu=0.0003759Re0.89694

(7)

錯列管束Eu=0.0309386Re0.44232

(8)

4 結論

4.1在相同節距比下，小尺度管殼式換熱器順列管束、錯列管束的殼側壓降和歐拉數都隨雷諾數的增加而增大。但是，錯列管束的壓降和歐拉數明顯大于順列管束的實驗值。

4.2實驗雷諾數范圍內，適用于計算常規尺度橫掠光滑圓管管束的流動阻力公式，不能為小尺度管殼式換熱器殼側阻力的計算提供準確參考。

4.3通過對實驗數據進行對數線性回歸，得到了錯列、順列管束在實驗雷諾數范圍內的阻力特性實驗關聯式。

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