列管式換熱器傳熱和流動阻力特性實驗研究

李改軍 趙宗強 新疆圣雄氯堿有限公司

能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎，是人類文明進步不可或缺的基本條件。在中國社會主義現代化的偉大進程中，能源問題始終是一個重大的戰略問題。為緩解能源與經濟發展的矛盾，節能技術的研究發展顯得尤為重要[1]。換熱器是一種廣泛應用的節能設備，是工農業傳熱過程中必不可少的工具，在化工、石油、冶金、核能、電子、糧食干燥等領域都有很廣泛的應用。列管式換熱器由于其結構簡單、制造容易和維修方便，在換熱器行業中占有很大的比重。強化傳熱技術是提高列管式換熱器能量轉換效率最重要的技術手段之一，國內外學者對強化傳熱技術也進行了廣泛和細致的研究[2]。

強化傳熱技術是指能顯著改善傳熱性能的節能科學技術。強化傳熱技術的主要內容是改進換熱器結構、采用強化傳熱元件來提高傳熱效率，并且降低設備運行和維護的費用。熱量傳遞方式一般分為三種：熱傳導、熱對流及熱輻射，故對強化傳熱技術的研究也是從這三種方式展開的，而對流換熱方式一直是研究的熱點[3]。在流體無相變的對流換熱過程中，影響對流換熱強度的因素主要有：流體的物性、流體的流動狀態、流動環境的大小及形狀等，工程實際應用中會綜合考慮各種因素來達到較好的換熱效果。

一、實驗系統及方法

（一）實驗裝置

本文實驗由自行設計并在安徽環態生物能源科技開發有限公司搭建的開式換熱器平臺上完成，實驗系統分為風路和水路循環兩部分。采用熱水加熱冷空氣，換熱管內通熱水，管外空氣橫掠管束進行換熱。在引風機的作用下，空氣先后經過前穩定段、實驗段、后穩定段、收縮段和測速段，最后從引風機出口排出。熱水在水泵的作用下，從智能溫控鍋爐流出，并依次流過閥門、水泵、電磁流量計和實驗管管內，最后流回鍋爐中。溫度傳感器測量得到的數據由安捷倫34970A數據采集儀讀取并同步保存于電腦中[4]。

實驗段長、寬和高的尺寸均為550mm，采用正五邊形及正三角形兩種管束排列方式，換熱管為Φ45×3mm的碳鋼管，測速段為邊長300mm，長1.5m的方管。

（二）實驗方法

實驗時，調節水泵變頻器頻率控制熱水流量，通過計算得出每根換熱管內雷諾數在11000左右，滿足單管內水流為湍流狀態。智能溫控鍋爐能在較長時間內保持熱水出口溫度為一恒定值，溫度值上下波動＜0.5℃。通過引風機變頻器調節引風機流量，計算得到在換熱管內雷諾數恒定時空氣側的一組雷諾數，再測量并計算對應的熱水和空氣的換熱量和空氣側壓降。

具體實驗步驟如下：

（1）實驗段先采用正三角形管束排列方式，其中電磁流量計水平安裝于水泵下游，且保證其上游直管段≥10DN，下游直管段≥5DN，其中DN為直管段管徑。

（2）在前、后穩定段同一截面處各均勻布置9個溫度測點，并分別安裝熱電阻溫度計以測量空氣進出口溫度。微壓計與L型皮托管一道用于測量空氣流經實驗段的壓差，其測點布置與溫度測點布置相同。在測速段前5/8長度處同一橫截面上均勻布置5個測點，用于空氣流速的測量。在靠近實驗段的熱水進、出口管道內各安裝一個熱電阻溫度計以分別測量熱水進出實驗段的溫度。所有溫度計均連接數據采集儀。

（3）打開引風機，以檢查風路中有無明顯漏風。智能溫控鍋爐內裝滿水，打開水泵、全開水泵變頻器，檢查水路循環系統中是否存在漏水。若氣密性良好，則進行下一步實驗，否則重新密封各管段連接處。

（4）打開引風機，調節引風機變頻器至某一頻率，并在測速段測量空氣流速，記錄頻率值及對應的風速值；繼續調節引風機變頻器頻率，得到一組頻率與風速的實驗值。關閉引風機。

（5）將智能溫控鍋爐內熱水加熱到一定溫度（60℃），待水溫穩定后（上下波動＜0.5℃），打開水泵，調節水泵變頻器頻率并觀察電磁流量計示數，當熱水流量達到預先設定的值后，記錄此時水泵變頻器頻率，整個實驗過程保持該流量值不再變化。打開引風機，調節引風機變頻器頻率在某一實驗值，打開數據采集儀及電腦，觀察空氣進、出口溫度及熱水進、出口溫度變化曲線，待各溫度值穩定后，開始測量并記錄實驗段前后空氣的壓差及測速段空氣流速。維持溫度曲線穩定時間在1h左右后，停止該組實驗，關閉實驗儀器。所有溫度數據同步保存于電腦中。

（6）重復第5步，直到完成相同熱水流量和初始溫度（60℃）條件下，按第4步設定的風機變頻器所有工況的實驗。

（7）更換實驗段為正五邊形管束排列方式，重復上述實驗。

圖1 溫度測點布置示意圖

二、實驗結果分析

當Re在5000～9400范圍內時，綜合性能評價因子η在0.983～1之間，此時正五邊形管束綜合傳熱性能不及正三角形管束（圖2）。當Re在9400～22000范圍內時，綜合性能評價因子η在1～1.08之間，均大于1，說明在此Re范圍內，正五邊形管束較正三角形管束的綜合傳熱性能有所提高。隨著Re的增加，η值呈上升趨勢，說明綜合傳熱性能提高幅度隨著Re的增加而增大，在高Re時，正五邊形管束的綜合傳熱性能比正三角形管束更好。

圖2 綜合性能評價因子η隨雷諾數Re的變化規律

三、結語

當Re在5000～9400范圍內時，綜合性能評價因子η＜1，正五邊形管束綜合傳熱性能不及正三角形管束；當Re在9400～22000范圍內時，η在1～1.08之間，正五邊形的綜合傳熱性能更佳。空氣流經管束的對流換熱中，高 Re 時可采用正五邊形管束排列方式以提高管束的綜合傳熱性能。