滴形管換熱性能的實驗研究

李慧君 萬玉梅 賈怡瓊

（華北電力大學能源動力與機械工程學院 保定 071003）

滴形管換熱性能的實驗研究

李慧君 萬玉梅 賈怡瓊

（華北電力大學能源動力與機械工程學院 保定 071003）

采用特殊形狀和表面的管子是最為常用、有效的強化換熱手段。本文基于滴形管換熱器回收天然氣鍋爐排煙余熱，提出了煙氣側的換熱系數實驗關聯式。通過改變換熱管間的排列間距，在不同煙氣流量下，對圓管和滴形管的換熱性能及影響因素進行了分析。與實驗數據比較，驗證了實驗關聯式可正確反映凝結換熱的特性。結果表明：不同煙氣量通過滴形換熱管的壓損小于圓管，約為圓管的0.33～0.38倍；煙氣溫度降大于圓管；冷卻水通過滴形管的溫升高于圓管；換熱系數滴形管比圓管的提高約7%，表明滴形管的換熱性能優于圓管。因此對于有凝結換熱過程發生時，滴形換熱管具有強化換熱的作用。

滴形管；煙氣；凝結換熱；傳熱性能

對流換熱及強化方法有廣泛的應用前景，是人們關注并不斷研究的課題。采用復雜的換熱表面是最為常用、有效的強化手段。增加肋片可以實現強化換熱的作用，實現節能降耗。但幾何形狀、尺寸等對強化換熱都有很大的影響［1］；張東升等［2］和徐佳瑩等［3］對兩種漸擴漸縮通道內周期性充分發展層流流動進行了研究；對于特殊管型的換熱，有關研究人員也進行了研究［4－7］，但并未談及滴形管。由于圓形管在工程中應用的較多，對它的研究比較詳細，而對于滴形管，當含有大量不凝結氣體的煙氣在管外進行凝結換熱時，對其換熱性能的研究目前有關報導還不是很多。雖然賈力等［8－11］在這方面有所報道，但換熱管形不是滴形管，而且未考慮凝結對換熱的影響。因此，本文對滴形管的換熱性能進行了研究，為其在工程中的應用提供依據。

1 建立換熱模型

回收天然氣鍋爐煙氣余熱時，煙氣側有凝結現象。因此，該側換熱過程存在對流與凝結換熱兩部分。

1.1 氣側換熱系數

設煙氣與管壁總換熱量為qfq，對流換熱量為qα，凝結換熱量為qcond，則總換熱量qfq為：

式中：ρfq為煙氣區水蒸氣密度，kg／m3；ρww為氣液界面溫度為Tww時的飽和水蒸氣的密度，kg／m3。

氣液界面的溫度Tww的計算如下式［12－13］：

式中：f取0.25～0.31。

由式（1）、（2）和（3）得出煙氣側與管壁間的總換熱系數hfq：

式中：右邊第二項為凝結換熱引起的換熱系數，該項大于零表明換熱有凝結發生（排除蒸發換熱），等于零則無凝結發生。因此，能夠自動對總換熱系數進行修正。

煙氣側努塞爾數的計算如下式［14］

利用量綱分析法，寫成冪指數形式，

考慮速度邊界層與濃度邊界層不相互影響，因此，在相同的特征尺寸下，利用努塞爾數Nu與舍伍德數Sh的相似性得出Sh的表達式：

根據努塞爾數Nu和舍伍德數Sh分別求得對流換熱系數hα和對流傳質系數hm：

式（11）實際上包含兩種換熱過程，即對流和凝結換熱。ρfq＝ρww，式中的第二項為零，僅為對流換熱；ρfq＞ρww，有凝結換熱，換熱系數增加（僅指煙氣側）。

式（13）也可以寫為：

式中：K為實驗系數（2 000＜Re＜35 000）。

1.2 水側換熱系數

冷卻水側獲得熱量qw是通過管壁導熱及管壁與冷卻水的對流換熱所獲得，故管內壁的溫度Twi為：

凝結換熱系數hαc采用的公式［15］為：

2 液滴換熱管的設計

本文以圓管作為比較基準，分別對由圓管和滴形管所組成的換熱器進行了換熱性能實驗。換熱管的剖面圖如圖1和圖2所示。

圖1圓形換熱管剖面圖Fig.1 Profile of circular heat exchange tube

圖2滴形換熱管剖面圖Fig.2 Profile of drop shape heat exchange tube

滴形管由部分圓和橢圓組成，煙氣流過圓管比流過橢圓管擾動強，圓管的壓力損失比橢圓管大，滴形管取兩者的優點，既降低煙氣的壓力損失，又加強了煙氣的擾動，有利于煙氣側的換熱。取兩管形長為100 mm，圓管的外直徑為8 mm，壁厚為1 mm，故滴形管當量外直徑為8 mm，壁厚為1mm。在保證與圓管有效換熱面積相等的條件下，通過優化得出滴形管的長軸長度為10 mm，短軸長度為6 mm，短、長軸之比為0.6。該比值越小，滴形管截面越狹長，降低了煙氣的擾動，不利于換熱。相反也不能太大，否則接近圓管，壓力損失增大。取0.5～0.6為宜，截面尺寸，如圖3所示。

圖3 滴形和圓形管截面幾何尺寸Fig.3 Drop tube and circular tube cross section geometry size

在實驗過程中換熱器的布置采用橫向沖刷錯列管的方式，間距比分別為：

換熱管在換熱器內的聯接形式如圖4 所示。煙氣從大尺寸端進入滴形管（）。

圖4 換熱管的聯結方式Fig.4 Connection mode of heat exchange tube

3 實驗系統及測量

實驗系統圖如圖5所示。實驗系統是由燃氣爐、貯氣罐、換熱器、引風機和管道等組成。實驗所使用的燃料是陜北天然氣。

圖5 實驗系統圖Fig.5 Experimental system diagram

換熱器進、出口煙氣溫度采用精度為0.01℃的水銀溫度計進行測量；煙氣沿換熱器管程的溫度、換熱管壁溫度、冷卻水進出口溫度的測量均采用鎳鉻?康銅熱電偶測量。溫度隨電動勢變化的關系式為：

由式（19）所得溫度的誤差為0.01～0.33℃。利用Solomat Limited Company的微壓計測試儀測試壓力、速度及流量。利用Kane International limited生產的KM9106綜合煙氣分析儀進行煙氣成分分析，得出煙氣中含氧量，用于計算過量空氣系數。

4 性能比較

假設忽略換熱器散熱損失。表1和表2所示分別為實驗初始參數和由實驗數據計算出的值。式（7）和式（13）的實驗系數為n＝0.68，m＝0.31，ω＝0.25。

表1 計算初始值（一）Tab.1 Calculation of initial value（1）

表2 計算初始值（二）Tab.2 Calculation of initial value（2）

圖6 兩種管型的壓損隨煙氣流速的變化Fig.6 The pressure loss of the two types of tubes varies with the flue gas velocity

在不同煙氣量下，通過實驗測得的換熱器進出口壓損，滴形管是圓管的0.33～0.38倍；管排間距小的壓損大；煙氣量增加，壓損也增大。兩管排間壓損較大的原因在于受圓形管背風面的渦流及尾跡流的影響較大，而滴形管的影響很小，如圖6所示。當管排間距相同時，滴形管的進出口溫差大于圓管的溫差；管排間距小的煙氣溫差大于管排間距大的煙氣溫差。說明滴形管的換熱性能優于圓管。計算值與實驗值相比，平均誤差約為5.1%，如圖7所示。

圖7 兩種管型煙氣進出口溫度差隨煙氣流速的變化Fig.7 The temperature difference between inlet and outlet of two types of flue gas varies with flue gas velocity

當冷卻水量相同時，通過滴形管的冷卻水溫升較大，表明換熱能力強。冷卻水進出口溫差計算值與實驗值相比，平均誤差約4.5%，如圖8所示。

管外換熱系數的實驗值hs可由下式求得：

式中：Gf為冷卻水流量，kg／s；Gfq為煙氣流量，kg／s；Δtf為冷卻水進出口溫差，℃；Δtm為換熱器對數平均溫差，℃；cp為水的定壓比熱容，kJ／（kg·℃）。

利用式（20）和式（11）計算的管外換熱系數值如圖9所示。結果表明：滴形管的換熱系數大于圓管；相同管排間距，滴形管的換熱系數比圓管的增加6.5%～7.5%；管排間距小的換熱系數大于間距大的換熱系數。管排間距相同時，圓管的換熱系數小于滴形管。換熱系數的計算值與實驗值的誤差約為1.5%～3.5%。因此，式（11）基本反映出煙氣側換熱系數的變化規律，其誤差滿足工程要求。

圖8 兩種管型冷卻水進出口溫度差隨煙氣流速的變化Fig.8 The temperature difference between inlet and outlet of two types of cooling water with flue gas velocity

圖9 換熱系數計算與實驗值的比較Fig.9 The comparison of calculation of heat transfer coefficient and experimental value

5 影響換熱性能的因素

1）為更清晰反映兩管的換熱性能，需要一項綜合指標。因對流換熱系數hα∝煙氣流速υ∝煙氣壓損Δp0.5，故以hα／Δp0.5作為評價指標。由實驗數據計算得出換熱系數，壓損由實驗測得，兩者比值越高、綜合性能越好。綜合性能比較結果如圖10所示。

2）滴形管的背風側有較好的流線型，所產生的尾流區小，不易產生回流，有利于換熱；

圖10 不同煙氣流速的換熱系數與壓損比值的關系Fig.10 The relationship between heat transfer coefficient and pressure loss ratio with different flue gas velocity

3）實驗過程中，利用數碼相機拍攝凝結過程。

實驗工況為：S1∶S2＝1.7∶1.5，燃料量為0.6 m3／h，如圖11所示。由圖11（a）可知，凝結換熱開始，凝結液在圓管壁上以珠狀凝結方式進行換熱，隨著凝結過程的繼續，液滴尺寸不斷增加，匯聚成大液滴流到管壁下方，最后落到下排管而排出。值得注意的是，形成的小液滴數量比較多，布滿整個管壁，各液滴間不易融合成大液滴，延長了排泄時間，而且，液滴懸掛管壁下面的時間因液滴與管壁接觸面積較大而比較長，降低了換熱能力。

圖11 兩管形凝結換熱過程Fig.11 Condensation heat transfer process at two tubes

由圖11（b）可知，滴形管凝結換熱過程，在其管壁上也有較多的小液滴形成，但因形狀使小液滴易融合成大液滴，加快排泄速度；當液滴流到管下方時，液滴在管壁下存留時間因接觸面積小而易脫離管壁。管壁下方的液滴數量明顯少于圓管，有利于換熱能力的提高。綜上所述：滴形管表面有利于排泄凝結液，增強了換熱能力。

6 結論

本文以天然氣為燃料，對由圓形和滴形換熱管，采用兩種布置方式組成換熱器，在進行煙氣余熱回收過程中，比較了兩種換熱管的換熱性能。結果表明：

1）對圓管和滴形管所組成的兩種換熱器在不同工況下進行了實驗，計算值與實驗值的平均誤差為：煙氣壓損約4.0%，煙氣進出換熱器溫差約5.1%，冷卻水溫差約4.5%，換熱系數約為3.5%，滿足工程要求，表明式（11）能夠正確反映煙氣側換熱特性，為高效換熱器的設計提供了依據。

2）煙氣通過滴形管時，壓損約為圓管的0.33～0.38倍，換熱系數比圓管提高約7.0%，冷卻水溫度升高大于圓管，表明滴形管換熱性能優于圓管。

3）有凝結換熱時，因滴形管的形狀使排泄凝結液的速度比圓管的快，加強了滴形管的換熱性能。

綜上所述，在有凝結換熱過程中，可采用滴形管加強換熱。

符號說明

A——面積，m2

d——管徑，m

D——物質擴散系數，m2／s

l——管壁長度，m

w——z方向速度分量，m／s

h——對流換熱系數，W／（m2·K）

hm——對流傳質系數，m／s

Nu——努塞爾數

Pr——普朗特數

q——熱流密度，W／m2

Re——雷諾數

Sh——舍伍德數

Sc——施密特數

S1、S2——管束相鄰兩管中心線之間的橫向和縱向距離，m

T——溫度，K

pv——蒸氣分壓力，Pa

Rv——水蒸氣的氣體常數

λ——導熱系數，W／（m·K）

μ——動力黏度，m2／s

ρ——密度，kg／m3

γ——汽化潛熱，kJ／kg

E——電動勢，V

G——質量流量，kg／s

C——無量綱式中的待定系數

K——實驗系數

k——傳熱系數，W／（m2·K）下標

α——對流v——對流

αc——凝結w——管壁

fq——煙氣ww——氣液界面

f——冷卻水wo——管外壁

s——飽和態wi——管內壁

m——金屬

［1］ Honda H，Kim K.Effect of bundle fepth on optimized fin geometry of horizontal low?finned condenser tube［J］.The Japan Society of Mechanical Engineers（B），1994，60 （573）：1710?1715.

［2］ 張東升，王秋旺，陶文銓.兩種漸擴漸縮通道內周期性充分發展層流流動的研究［J］.水動力學研究與進展，2002，17（4）：514?519.（ZHANG Dongsheng，WANG Qiuwang，TAO Wenquan.Characteristics of fully devel?oped laminar water flow in two kinds of periodically conver?ging?diverging channels［J］.Journal of Hydrodynamics，2002，17（4）：514?519.）

［3］ 徐佳瑩，王秋旺，楊小玉，等.周期性漸擴?漸縮通道層流流動與換熱特性研究［J］.計算物理，2001，18（3）：225?229.（XU Jiaying，WANG Qiuwang，YANG Xiaoyu，et al.Numerical study on the laminar fluid flow and heat transfer characteristics in periodic divergent?convergent channels［J］.Chinese Journal of Computational Physics，2001，18（3）：225?229.）

［4］ Tsukamoto Y，Seguchi Y.Shape determination problem in compounded physical phenomena：an application to heat exchanger pipe［J］.The Japan Society of Mechanical Engi?neers（B），1982，48（430）：1165?1173.

［5］ Yang K X，Yoshikawa H，Ota T.Numerical simulation of laminar flow and heat transfer in staggered elliptic tube banks［J］.Transactions of the Japan Society of Refrigera?ting and Air Conditioning Enginees，2002，19（1）：63?71. ［6］ Bouris D，Papadakis G，Bergeles G.Numerical evaluation of alternate tube configurations for particle deposition rate reduction in heat exchanger tube bundles［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2001，22（5）：525?536.

［7］ Wilson S A，Bassiouny K M.Modeling of heat transfer for flow across tube banks［J］.Chemical Engineering and Pro?cessing：Process Intensification，2000，39（1）：1?14.

［8］ 賈力，張秋宏.冷凝式PTFE換熱器研究初步［J］.北京建筑工程學院學報，1998，14（4）：1?6.（JIA Li，ZHANG Qiuhong.Initial research on plastic condensingheat exchangers［J］.Journal of Beijing Institute of Civil Engineering＆Architecture，1998，14（4）：1?6.

［9］ 孫金棟，李孝萍，賈力.煙氣冷凝換熱過程分析［J］.北京建筑工程學院學報，2001，17（3）：23?26.（SUN Jindong，LI Xiaoping，JIA Li.The analysis on condensa?tion heat transfer of flue gas［J］.Journal of Beijing Institu?te of Civil Engineering＆Architecture，2001，17（3）：23?26.

［10］伍成波.換熱器煙氣側傳熱特性的研究［J］.重慶大學學報（自然科學版），1998，21（1）：88?94.（WU Cheng?bo.Study on heat transfer characteristics in waste gas of the exchanger［J］Journal of Chongqing University（Natural Science Edition），1998，21（1）：88?94.

［11］程有凱，常琳，張麗，等.具有不凝結氣體存在的凝結換熱研究［J］.制冷學報，2006，27（4）：41?44. （CHENG Youkai，CHANG Lin，ZHANG Li，et al.Re?search on condensation heat transfer with presence of non?condensable gases［J］.Journal of Refrigeration，2006，27 （4）：41?44.）

［12］Reason J.Condensing heat exchanger captures flue?gas la?tent heat［J］.Power，1984，12（10）：222?226.

［13］Reay D A.The use of polymers in heat exchangers［J］. Heat Recovery Systems and CHP，1989，9（3）：209?216.

［14］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.3版.北京：高等教育出版社，2005.（YANG Shiming，TAO Wenquan.Heat trans?fer［M］.3th ed.Beijing：Higher Education Press，2005.）

［15］李慧君.燃氣鍋爐排煙余熱回收及最佳利用的研究［D］.西安：西安交通大學，2004.（LI Huijun.Submit?ted in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of engineering［D］.Xi′an：Xi′an Jiaotong Uni?versity，2004.）

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Drop Tube

Li Huijun Wan Yumei Jia Yiqiong

（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，071003，China）

The tubes with special shape and surface are the most commonly used and effective methods to enhance the heat transfer.In this paper，the heat transfer coefficient correlation of gas side was experimentally put forward according to liquid drop tube heat exchanger for recovering waste heat of natural gas boiler.In different flue gas flow rate，the heat transfer performance and influencing factors of the round tube and drop tube were analyzed by changing the arrangement distance between the heat exchange tubes.Compared with the exper?imental data，it was proved that the experimental correlation can correctly reflect the characteristics of condensation heat transfer.The re?sults showed that the pressure loss of the different flue gas through the liquid drop tube heat exchanger was smaller than that of the round tube，which is about 0.33～0.38 times of the round tube；the flue gas temperature drop was larger than that of the round tube；the tem?perature rise of the cooling water through the liquid drop tube heat exchanger was higher than that of the round tube；the convection heat transfer coefficient of the liquid drop tube heat exchanger was increased by about 7%than that of the round tube，indicating that the heat transfer performance of the liquid drop tube heat exchanger was better than the round.For the condensation heat transfer process，the liq?uid drop tube heat exchanger has the effect of heat transfer enhancement.

drop tube；flue gas；condensation heat transfer；heat transfer performance

TK124；TQ051.5

A

0253－4339（2017）01－0022－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.022

2016年4月16日

李慧君，男，教授，華北電力大學能源動力與機械工程學院，（0312）7522203，E?mail：hj＿li009＠sina.com。研究方向：強化換熱及數值計算、電廠熱力系統的節能與監測診斷、余熱回收利用。

About the corresponding author

Li Huijun，male，professor，School of Energy Power and Mechan?ical Engineering，North China Electric Power University，＋86 312?7522203，E?mail：hj＿li009＠sina.com.Research fields：strengthen the heat transfer and numerical calculation，energy sav?ing and monitoring and diagnosis，waste heat recovery and utiliza?tion of power plant thermal system.