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1、文章编号 一一一 管壳式换热器强制对流换热与阻力特性研究 张东生 , 杜扬 , 李康宁 , 赖长江 后勤工程学院军事供油工程系 , 重庆 拟 摘要用实验与软件模拟相结合的方 法研究了波纹管与直管的换热性能和阻力特 性 。 壳程采用通入高温烟气 , 测试了不同水量情况下波纹管的平均对流换热系数和阻力系 数 , 拟合出了所测参数范围内的换热和队力关联式 , 并比较了相同管径的波纹管与直管的换 热效果 。 为波纹管在换热领域的应用提供一些依据 。 关键词换热摩擦因数波纹管对流阻力特性 中图分类号文献标识码 对国外换热器市场的调查表明 , 管壳式换热器占 。 虽然各种板式换热器的竞争力在上升 , 但
2、管壳式换热器仍占主导地位 。 光管由于加工方便 , 成本低 , 是管壳式换热器中应用较为广泛的 , 但由于 其换热面积小 , 换热效果差 , 因此如何强化光管的换热一直是研究的重要方向 。 波纹管作为一种新型的 换热元件 , 它与普通直管最主要区别在于它的异形表面可以同时强化管内外流体 , 而且在低雷诺数的情 况下 , 换热效果明显好于直管 。 在国内已有不少学者对波纹管强化换热进行了大量的研究 , 发现采用波 纹管作为换热面的综合性能有显著提高 , 但迄今对烟气与水换热的研究还少有见到 。 本文主要通过实 验与仿真相结合的方法 , 对波纹管和直管的换热性能和阻力特性进行了分析和对比 , 以便
3、为进一步强化 其换热能力提供依据 。 实验装置 实验 总体装置如图所 示 , 主要由风机 、 燃烧室 、 供油 装置 、温度测量系统、流量计等 组成 。 在实验中 , 通过控制阀 门来改变波纹管内水的流量 。 在实验 中 , 沿管子的轴向分别 在个界面上布置有测温点 , 在管子的两端布置有测压孔 。 用燃烧器中产生的烟气作为被 冷却介质 , 管壳外包裹玻璃丝 带和海绵以减少热损失 。 在管 一风机一供油系统一姗烧室 、 一截止阅么一转子流 计仪表 一 烟气进口 , 一烟气出口一夕 转接板 一 电脑显示屏 一冷却水进口 一冷却水出口 、 一传感器巧一铜一康炯热电俩 、 一沮度计 、 一压力表 图
4、燃油除粗产生情气装里总体简图 壳和法兰连接处加有垫片 , 一方面可以保证密封 , 另方面可 以减少轴端的热损失川 。 在实验中需要测量的有 沿程压差 , 壁温 , 进 、 出口流体的温度 。 温度通过热电偶连接到温度采集模 块系统上采集 。 收稿日期 一一 作者简介 张东生 一 , 男 , 河北省三河市人 , 硕 士生 , 主要从事换热器方面研究 。 波纹管换热原理 本实验所用的波纹管 , 如图所示 , 其与直管不同的是 用改变断面方式 , 使弧形段内壁处发生两次反向扰动 。 正是这种扰 动较大地破坏了边界层热阻 , 从而扩大了低热阻区域 , 因而强化了传热 , 换 热系数有明显提高上述扰动范
5、围的大小与直线段长度有关 , 直线段起着积 累能量的作用 , 在直线段内 “ 积累 ” 的能量到弧形段内扩散 , 产生与扩大了两 次反向流 。 没有直线段则没有 “ 积累 ” 区段 , 弧形段内无法产生两次反向流 图波纹管几何尺寸图 因而强化传热效果明显降低 。 周期性的能量积累与释放过程使整个换热管内外表面都受到流体的冲 刷 , 撕裂边界层 , 并阻碍污垢层的形成 , 从而使波纹管内外表面的传热均得到明显的增强 , 换热器能够实 现长期而稳定的强化换热 。 由于波纹管上存在管壳温差应力而产生应变 , 这一应变 , 使得具有弹性特征的波纹管曲率发生 微观变化 , 从而使附着其上的垢膜破裂而脱落
6、 。 换热器基本计算公式 波纹管内水吸收的热量按下式计算 。 , 一。 水的定性温度取进出口的平均温度 , 即 , 二 。 对流换热系数为 。 一 , 式中为波纹管内水的质量流量 , 扩为水的比定压热容 , 、。 为冷却水出口与进口 温度 , 为波纹管的总表面积 , 对 。 为波纹管管壁温度平均值 , 取个截面测量值的平均 。 雷诺数 、努塞尔数和摩擦因数定义如下 。 , 却 户 , 式中 , 为管内介质平均流速 , 耐 为定性直径 , 取波纹管成形前直径 , 为运动粘度系数 , 时 却为波纹管两端压力差 , 人为水的导热系数 , 为管长 , 为密度 , 。 换热器数学模型 流体满足的控制方程
7、的通用形式如下 旦生叫 、 匹匹必 、 旦豆些立 、 匹塑虹立 。 丝 、 、 立 ,。丝、 立 。 丝 、二。 出 叙即贪叙 一 叙 方 一 妙 出 一 出 与上式对应的控制方程包括 、玖 方向动量方程 、揣动能方程、耗散率方程、能量方程。 定解条件实验环境温度为 , 介质为烟气和水 , 流动类型为逆 向流动 。 壳程烟气进口流 量为 , , 进口温度为 , 同时假定烟气的物性不随温度变化 , 取密度留耐 , 比定压热 容 , 导热系数为 , 管程水进口温度为 , 流量范围为 以刃 。 以 , , 雷诺数 一 乃 以刃 。 数值模拟结果 采用以 仃建立几何模型 , 对管程和壳程进行网格划分及
8、边界条件的设置 。 利用几软 件导人前处理结果 , 湍流模型采用 一 模型 , 波纹管壁面采用藕合方式 , 其余壁 面热流量设为 咤 。 本文对组不同水速情况下波纹管式与直管式管壳换热器进行了数值模拟 , 现取 两组对其壳程温度变化云图进行对比 。 从图和图的比较可以看出 , 当水的雷诺数处于层流状态时 , 波纹管的换热性能 明显要强于直 管 , 但随着雷诺数的增大 , 换热性能逐渐接近 , 如图和图所示 。 其原因主要是 由于层流时直管内流 体主要依靠导热传递能量 , 而波纹管内由于波峰和波节的存在 , 管内流体在很低的雷诺数的情况下也处 于强烈的扰动状态 , 使得壳程烟气等温线变化比较明显
9、当雷诺数逐渐增加时 , 两种管管内流体都处于 湍流状态 , 故此时换热性能逐渐接近 。 图水速为 耐 时 , 直管式壳程温度变化云图图水速为 耐 。时, 波纹管式壳程温度变化云图 水速为 耐 。时, 直管式壳程温度变化云图水速为 耐 。 时 波纹管式壳程温度变化云图 实验数据与模拟值对比 本文按 一 关联式 二 摩擦因数按伯拉修斯公式计算 绘制了直管的曲线 , 二 一 为水的普朗特数直管 对波纹管 , 和通过最小二乘法来计算 。 的通用形式为 , 令 二 , 二 原式变为 了 斤 , 为常数 。 将 和值带人上式 , 得 二 习 气 一 关 一 知习 气 一 乃 二一 如 其中石 二 上 启
10、一一 、, 一 , , , 万石了 。恨循小网狐迷 , 洲得小司的挥 “ 、 ”代人后得 , , 一 艺 , 了叮、声 、 即有 二 同理爪 众“, , 唐晓寅 , 杜扬 , 张世富工程流体力学【重庆 后勤工程学院出版 , 印 。 使用范围为 , 尸。 。 本文将计算得出的波纹管和直管的平 均努塞尔数 、换热 系数和管程压力降 如在不同的雷诺数的情况下进行了 比较 。 如图 一 所示 。 从图中可以看出 , 随着雷诺数的增加 , 波纹管与直管的换热系数从最初的倍 降到倍 , 逐渐趋于一致 。 这主要是因 为随着雷诺数的增加 , 波峰与波谷的扰流 能力被削弱 。 管程压力降随着雷诺数的增 大而增
11、加 , 且都在 一 倍之间 。 幻以】 拟 加 砚 拟 沉仪汉 几 直管计算值 波纹管,值 图随雷诺数变化曲线图 姗姗姗姗哪 。 毒 结 语 侧幻 加以 】义旧 劝创 】 几 直舍什算值二波纹省枷幸往波纹管模扣值 管壳式换热器以其对温度 、压 力 、介质 的适应性 、耐用性及经济性, 在换热设备中 始终占有主导地位 。 因此管壳式换热器 的标准化工作为世界各工业发达国家所重 视 , 也为国际标准化组织所重视 。 而 波纹管传热性能好于直管 , 这不仅在理论 上得到论证 , 而且也在实际中得到证明 , 因 此用波纹管作为管壳式换热器强化手段 , 将是提高其综合性能的研究方向 。 随雷诺数变化曲线
12、图 吸 心 硬 砚 , 石 幻兀幻 加仪 幻兀幻 孙七翎 图 川 几 直管计耳体 麒洲妞一 波纹管模拟值 图 随雷诺数变化曲线图 参考文献 曾敏 , 王秋旺 , 屈治国 , 等波纹管内强制对流换热与阻力特性的实验研究西安交通大学学报 , 一 金志浩 , 金文 ,刘洁, 等波纹换热管管内强化传热实验研究 卿 , 一 王福军 计算流体动力学分析 北京 清华大学出版社 , 又 美公司 帮助 美国新罕不什尔州 , 拓 闰大桂 ,严尚安 工科研究生应用数学基础 北京高等教育出版社 , 段春玲管壳式换热器的传热强化【 石油化工高等专科学校学报 , 一 邵 一 , 自 , 池 , 娥 俄 邓, , 主 叩 丫钾矛 哪