同比例大小徑轉子組合的強化傳熱實驗

何立臣，關昌峰，何長江，張崇文，賀建蕓，閻華

（北京化工大學機電工程學院，北京 100029）

工業換熱器由于換熱效率低、換熱表面容易結垢等問題已經嚴重制約了企業的經濟效益，而化工、煉油等生產過程中的傳熱大部分是高黏度物料的傳熱。高黏度物料黏度高，操作雷諾數低、流動多處于層流或過渡狀態，這就導致管內傳熱系數低，傳熱不均勻，污垢沉積多，泵功耗大[1]。管殼式換熱器加裝內插件是改善管內換熱性能的有效方法，朱冬生等[2]介紹了交叉梯形波帶插入物強化管內高黏度流體傳熱的原理和工業應用，說明內插件技術既可以應用于現有設備的技術改造，還可以應用于新設備的設計。吳雙應等[3]以30#透平油為工質，對在光管內插入3種不同扭率扭帶的受迫流動的冷熱態流阻及換熱性能進行了實驗，結果表明插有不同扭率的全長連續扭帶管的傳熱系數為光管的1.7～2.6倍。向東等[4]實驗研究了水平圓管內插入旗形件時其后掠角對30#透平油的對流傳熱及流阻特性的影響，在實驗范圍內傳熱系數首先隨后掠角的增大而上升，然后又下降，阻力則隨后掠角的增加而增加。

“潔能芯”組合轉子[5]是一種新型的換熱管內插件，前人對其進行了很多實驗研究。李鋒祥[6]利用PIV得到了組合轉子在換熱管內的速度場、湍流強度及渦量等。彭威等[7]對螺旋葉片和開槽螺旋葉片兩種結構組合轉子的綜合傳熱性能進行了實驗研究，得出了開槽螺旋葉片轉子具有更好的綜合傳熱性能。張震等[8]以水為工作流體，在雷諾數20000～75000范圍內實驗研究了轉子外徑對強化傳熱及阻力特性的影響，結果表明傳熱特性及阻力都隨著轉子外徑的增大而增大。周寅鵬等[9]以60%甘油水溶液為工作介質進行了實驗，同樣得出了內置轉子強化管的努塞爾數、阻力系數及PEC值隨轉子外徑的增大而增加的結論。

本文在前人研究的基礎上以甘油水溶液為管程流體來模擬工業上的高黏性物料，將大外徑轉子與小外徑轉子相間排列，旨在研究將不同外徑轉子相間排列后的換熱及阻力特性。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

該裝置由冷水回路、熱水回路、實驗段以及測量控制回路四部分組成。實驗段中的套管式換熱器管程尺寸為φ25mm×0.5mm，殼程尺寸為φ57mm× 3.5mm，換熱管長度為2000mm，材質為304不銹鋼。甘油水溶液作為冷流體走管程，熱水走殼程，“潔能芯”組合轉子安裝在管程實驗段，實現逆流對流換熱。實驗裝置中的各個管線、管段均采用巖棉材料保溫，整個系統由計算機自動控制，實驗中熱水流量控制在(3.5±0.02)m3/h，甘油水溶液流量控制在 2.4～4.0m3/h范圍內，變化幅度不超過±0.02m3/h，流量分別通過安裝在管程及殼程入口處的電磁流量計測得；熱水溫度通過電加熱器控制在(56±0.2)℃，冷水溫度通過制冷機控制在(30±0.2)℃，在管程及殼程的進出口處各安裝一個熱電偶以便測出進出口溫度。實驗段的管程兩端分別安裝壓差計的引出管，以便測得管程進出口壓差。

圖1 實驗裝置示意圖

“潔能芯”組合轉子裝置工作原理如圖2所示。該裝置由轉子、轉軸、掛件及限位件構成，轉子串在轉軸上，可繞轉軸獨立旋轉，轉子間由限位件限定軸向位置；掛件固定在換熱管的兩端并串在轉軸上，實現轉子串的固定。轉子在流體的沖擊下高速旋轉，使得流體由層流轉變為以螺旋流動為主的復雜流動，這種復雜流動強化了中心流體與管壁流體的置換，破壞了邊界層，增強了流體的湍動程度，實現強化換熱效果。

本實驗采用外徑22mm和外徑19mm兩類轉子，將外徑22mm和外徑19mm轉子以1∶1、2∶2、3∶3三種比例方式進行相間排列，并與外徑全22mm和外徑全19mm轉子對比，共進行5組實驗；轉子長度為27.5mm，每串轉子共有5段（圖中只給出了其中1段），每段12個轉子，一共60個轉子，實驗方案如圖3所示。

2 數據處理

圖2 “潔能芯”組合轉子裝置工作原理圖

圖3 實驗所用方案

為計算求得換熱管內流體的努塞爾數Nu、阻力 系數f，必須通過熱電偶測出管程進出口溫度t1、t2，殼程進出口溫度T1、T2；通過壓差計測出管程進出口壓差Δp；通過電磁流量計測出管程流量Mc、殼程流量Mh。當換熱管內外流體流動穩定后，殼程流體放熱量Qh和管程流體吸熱量Qc分別為式（1）和 式（2）。

式中，cp,i、cp,0分別為甘油水溶液和熱水的定壓比熱容。

平均換熱量aveQ為式（3）。

ΔTm為冷熱流體進出口溫度的對數平均溫差，計算式為式（4）。

總傳熱系數K為式（5）。

式中，Ao為以管外表面計的換熱面積。

運用威爾遜圖解法[10]從總傳熱系數K分離得到管程對流傳熱系數hi，然后由式（6）算出努塞爾數Nu。

式中，λi為導熱系數；di為換熱管內徑。

換熱管管程阻力系數f可以通過式（7）計算 得到。

式中，de為管程當量直徑；u為管程流體流速；ρ為管程流體密度；l為換熱管長度。

3 實驗結果及分析

3.1 不確定度分析

實驗中推導所得的間接量φ的不確定度由式（8）確定。

式中，xi為實驗直接測量量，溫度T的不確定度為0.67%，流量M的不確定度為0.83%，壓差Δp的不確定度為0.5%，因此換熱量的不確定度為1.067%，阻力系數的不確定度為1.734%。

3.2 光管實驗驗證

3.2.1 傳熱性能驗證

將實驗得到的努塞爾數Nu與在相同雷諾數條件下通過Gnielinski經驗公式[11]計算出的努塞爾數Nu進行對比，如圖4所示。

其中Gnielinski經驗公式為式（9）。

通過對比可知，在實驗雷諾數范圍內，努塞爾數Nu的實驗值與通過Gnielinski經驗公式計算值的偏差在-7.81%～6.49%之間，在允許范圍內。

3 .2 . 2 阻力性 能 驗 證

圖4 光管Nu測量值與經驗公式對比

圖5 光管f測量值與經驗公式對比

將實驗得到的阻力系數f與在相同雷諾數條件 下通過Petukhov經驗公式[11]計算出的阻力系數f進行對比，如圖5所示。

其中Petukhov經驗公式為式（10）。

通過對比可以得出，在實驗雷諾數范圍內，阻力系數f的實驗值與通過Petukhov經驗公式計算值的偏差在-7.11%～0.17%之間。

3.3 傳熱性能

圖6為5種不同的轉子組合方案下換熱管努塞爾數Nu隨雷諾數Re的變化關系曲線。

由圖6可知，1∶1相間排列方案的Nu高于2∶2相間排列方案，又高于3∶3相間排列方案，其Nu比外徑全19mm方案高出19.17%～34%，這說明通過在外徑19mm轉子間排列外徑22mm轉子能夠達到非常可觀的強化換熱效果。其原因是當兩種外徑的轉子相間排列時，換熱管內的流動結構發生了周期性的變化，大徑轉子與小徑轉子的間隙處，由于流通面積的突然改變，流動伴有更多的二次流及混流，流動結構更為復雜，而且相間排列越頻繁，流動狀態周期性變化就越頻繁，其換熱效果就越好。

3.4 阻力性能

換熱管阻力系數f隨雷諾數Re的變化關系曲線 如圖7所示。

圖6 5種實驗方案Nu對比

圖7 5種實驗方案f對比

由圖7可以看出，外徑全22mm方案的阻力系數大于外徑全19mm，而且3種相間排列方案的阻力系數與外徑全22mm方案相差不大。這是因為外徑全22mm方案的流通面積小，其造成的阻力也就更大；而3種相間排列方案由于周期性變化的流動結構使得流體的流動路徑變長，因而其阻力就相應變大。

3.5 綜合評價因子PEC

采用工程上普遍使用的綜合評價因子PEC來評價組合轉子的綜合強化傳熱性能，其計算式為（11），式中Nu和f為裝有組合轉子換熱管的努塞爾數和阻力系數，Nu0和f0為光管的努塞爾數和阻力系數[12]。

5種實驗方案的PEC值如圖8所示。由圖8可知，1∶1相間排列方案的PEC高于2∶2相間排列方案，又高于3∶3相間排列方案，而且遠高于外徑全19mm方案，與外徑全22mm方案相當，其值達到了1.78～2.37。這說明在外徑19mm轉子間排列外徑22mm轉子具有比較高的綜合強化換熱效果， 這對工業應用具有指導意義，因為工業應用為大批量應用，通過這種相間排列可以節省大部分材料，從而能夠節約成本。由圖8還可以看出，在雷諾數處于1900～2000范圍內PEC值達到最大，將組合轉子應用在該流動區域，其綜合強化換熱效果最佳。

圖8 5種實驗方案PEC對比

4 結 論

（1）將外徑22mm轉子和外徑19mm轉子以1∶1進行相間排列的方案的Nu高于將兩種轉子以2∶2進行相間排列的方案，又高于將兩者以3∶3進行相間排列的方案，其Nu比外徑全19mm方案高出19.17%～34%，說明通過在外徑19mm轉子間排列外徑22mm轉子完全能夠達到比較高的強化換熱效果，而且相間排列越頻繁，其換熱效果就越好。

（2）3種相間排列方案的阻力系數與外徑全22mm方案相差不大。

（3）將外徑22mm轉子和外徑19mm轉子以1∶1進行相間排列的方案的PEC值最高，而且遠高于外徑全19mm方案，與外徑全22mm方案相當，其值達到了1.78～2.37。這說明在工業應用中，可以通過在外徑19mm轉子間排列外徑22mm轉子，以達到節省材料，節約成本的目的。

[1] 徐天華，崔乃瑛，譚盈科. 管內插入物強化高粘液體傳熱[J]. 化學工程，1988，16（6）：7-15.

[2] 朱冬生. 插入物強化管殼式換熱器管內高粘度流體的傳熱[J]. 石油煉制與化工，1998，29（7）：39-42.

[3] 吳雙應，辛明道. 扭帶管內油的受迫對流換熱實驗[J]. 重慶大學學報，1995，18（1）：113-117.

[4] 向東，陳禮，陳清華. 管內旗形件后掠角對油類介質對流換熱的影響[J]. 重慶大學學報，1995，18（2）：68-73.

[5] 楊衛民，丁玉梅，耿立波，等. 轉子式自清潔強化傳熱裝置：中國，200520127121.9[P]. 2006-11-01.

[6] 李鋒祥. 換熱器管程組合轉子強化傳熱研究與結構改進[D]. 北京：北京化工大學，2009

[7] 彭威，閻華，關昌峰，等. 內置組合轉子換熱管的綜合傳熱性能[J]. 化工進展，2012，31（4）： 749-753.

[8] Zhang Zhen，Yang Weimin，Guan Changfeng，et al. Heat transfer and friction characteristics of turbulent flow through plain tube inserted with rotor-assembled strands[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2012，38：33-39.

[9] 周寅鵬，關昌峰，張震，等. 不同外徑組合轉子過渡區強化傳熱性能實驗研究[J]. 化工進展，2013，32（7）：1506-1509.

[10] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[11] 孟繼安. 基于場協同理論的縱向渦強化換熱技術及其應用[D]. 北京：清華大學，2003

[12] Webb R L. Performance evaluation criteria for use of enhanced heat transfer surfaces in heat exchanger design[J].International Journal of Heat and Mass transfer，1981，24：715-720.