并流多通道進出口管殼式換熱器殼程傳熱性能比較

點擊：1974 日期：[ 2014-04-26 21:35:53 ]

并流多通道進出口管殼式換熱器殼程傳熱性能比較曾文良1, 2,李喜玉1,鄧先和1 (1.華南理工大學化學與化工學院傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室,廣東廣州　510640;2.衡陽師范學院功能金屬有機材料湖南省普通高等學校重點實驗室,湖南衡陽　421001) 摘要：對一種新型并流多通道進出口結構的殼程軸流管殼式換熱器殼程局部傳熱性能進行實驗研究,在有分布擋板與無分布擋板的情況下,分別對進口段局部努塞爾數Nu的分布、局部平均Nu的分布、以及換熱器整體的傳熱和阻力性能進行了比較與分析。研究結果揭示了殼程進口段的局部表面Nu的分布規律,并給出了合理的機理分析。結果表明,分布擋板不但能夠有效促進殼程流場和局部Nu的均勻分布,而且能夠提高整體傳熱性能,且阻力增加較小。關鍵詞：傳熱性能;管殼式換熱器;并流多通道進出口;分布擋板中圖分類號：TQ 051. 5;TK 172　　　文獻標識碼：A　　　文章編號：1005-9954(2010)04-0012-05 為了對殼程結構的優化與改進、新型殼程支撐結構的開發、以及新型強化傳熱元件的應用,迫切需要了解換熱器殼程的局部傳熱性能及其分布,因此,研究換熱器殼程的局部傳熱性能具有非常重要的意義。盡管由于管殼式換熱器殼程結構的復雜性,自20世紀50年代以來,對其局部傳熱性能的研究從未中斷過,但是基本上集中在弓形隔板換熱器,而且大多研究有一個共同的特點,其得到的結果一般是局部平均值,很難得到真正意義上局部傳熱系數[1-6]。隨著工業生產裝置的大型化和超大型化的發展,換熱器直徑不斷增大,而長徑比(L/D)將減小,特別當L/D≤2. 0時,將會導致殼程流動分布嚴重不均,壓降急劇增加,傳熱與流阻性能急劇惡化等問題[7-9]。針對這些問題,鄧先和等[10]提出了一種殼程并流多通道的進出口結構(MPC),曾文良等[11]提出在進出口位置安裝流體分布擋板的辦法予以解決。本研究項目就是對這種具有MPC結構的軸流管殼式換熱器殼程的局部傳熱性能進行研究,重點研究進口段的局部表面傳熱性能,以及擋板對換熱器性能的影響,從而為大型、超大型軸流管殼式換熱器的工程設計提供數據來源與依據。 1·研究對象的描述與簡化具有殼程MPC結構軸流管殼式換熱器的外觀結構如圖1所示。這種結構是采用多塊縱向擋板將換熱器殼程管束分隔為多個平行的流動通道,再通過橫向擋板將無管束之間的通道切斷,以防止進出口流體短路。流體在進口通道截面的流動路徑如圖2所示。由圖2可以看出,采用這種MPC結構,流體進出傳熱區域的流路明顯縮短,殼程流體在換熱器進出口段橫穿管束的數量顯著減少,因此在很大程度上,克服了由于換熱器L/D的減小以及D的顯著增大而帶來的種種不利因素,特別是壓降急劇增大問題。通過圖1和圖2可以看出,當采用這種殼程MPC結構,任一通道流體的流動路徑基本相似,因此只需要選取具有典型代表意義部分進行研究,為了簡化研究對象并確保實驗可行,選擇如圖2中所示的典型單元區域進行研究,實質上就是將研究對象轉化為一個較小的矩形軸流管殼式換熱器。文獻[11]研究表明,對于這種MPC型的換熱器,布管區域的寬度在220—400 mm比較合適,其對應的管排數在7—14,因此本實驗的管排數選擇為9排,為了消除殼體邊界的影響,選擇傳熱管束的層數為4層,只對中間管束進行實驗,故有規格為25mm×2.5mm×1 000mm的傳熱管共(4×9)根管束的布置方式為30mm×30 mm的正方形排列,因此,實驗對象的外形尺寸為120 mm×270 mm×1 000 mm的矩形軸流管殼式換熱器,其外觀與布管如圖3所示,圖中數據單位為mm。 2·實驗部分 2.1　實驗原理在穩態下,假設管外壁溫為To,管外流體溫度為T,管內壁溫為Ti,故有管外表面傳熱系數ho為式中:Ri,Ro分別為傳熱管的內、外半徑,m;λ為管壁材料的導熱系數,W /(m·K)。因此通過在PP-R(無規聚丙烯)傳熱管外表面嵌入熱電偶,測量管外壁溫、管內壁溫以及管外氣體的溫度,經式(1)計算出氣體在換熱器管束間的局部表面傳熱系數。采用Hot-Disk的TPS2500導熱系數測定儀對PP-R傳熱管的材料分別在20℃和80℃下測試其導熱系數,分別為0. 210 4W /(m·K)和0. 211 5 W /(m·K)。對式 (1)進行誤差分析,最大相對誤差為5. 11%。 2.2　實驗裝置實驗流程如圖4所示。通過圖4的實驗裝置,逐一對圖3中No.1—No. 9的管束,在有擋板和無擋板情況下的進口段局部傳熱性能進行實驗測定,擋板的結構與參數按照文獻[9,11]中的優化模型進行設計。傳熱管上熱電偶的具體分布位置如圖5所示,圖中數據單位為mm。傳熱管總長度為2 000 mm,其中實驗段長度為1 000mm,在實驗段區域中,選取如圖5中所示的A-A,B-B,C-C,D-D,E-E,F-F,G-G等7個截面,其中截面A-A,B-B在進口區域內,截面G-G在出口區域內,其流體主要以橫向沖刷為主,而截面C-C正處在軸向流動與橫向流動的轉換過程之間,在截面A-A,B-B,G-G,C-C對稱的半圓周上均勻布置7對熱電偶。截面D-D,E-E, F-F主要為軸向流動區域,在其對稱的半圓周上均勻布置3對熱電偶。 6實驗過程中,通過蒸汽鍋爐產生飽和蒸汽,鍋爐蒸汽出口壓力控制在0.01MPa(g),在實驗管的末端安裝一疏水閥,以便及時排出傳熱管內的冷凝水,空氣流量用迪形管測量管道內空氣的平均動壓頭,動壓頭和壓差均采用精度為1. 0%且分辨率為0. 1 Pa的差壓傳感器進行測量,用變頻器調節空氣流量。實驗中所有溫度均采用經過標定的精度為0. 1℃且規格為0.2mm的T型熱電偶進行測定,實驗中數據均采用HP34970數據采集儀進行在線自動采集。 3　結果與討論 3.1　進口段局部表面傳熱系數圖6和圖7分別是進口段截面A-A和B-B的局部表面努塞爾數Nu的分布圖。從圖6可以看出,在截面A-A上,沿著流體流動方向,當夾角θ在0—π/2變化時,局部Nu隨著θ的增大而增大,而當θ在π/2—π變化時,局部Nu隨著θ的增大而急劇減小,并趨向穩定。這是因為在進口段,流體主要以橫向沖刷管束的方式流動,當θ從0開始增大時,流體在管束表面的流速隨之增大,當θ=π/2時,流體流通面積達到最小,也就是流速達到最大,故此時Nu亦達到最大,而當θ在π/2之后進一步增大時,由于流速的減小與管束表面的流動邊界層的增厚,使得表面Nu又急劇減小并趨于穩定,這一現象在管束No. 1和No. 2表現得最為明顯。然而仔細比較不同管束Nu的分布,可以發現隨著管束序號的增加,Nu的變化趨勢亦有一定的改變,其主要表現在以下幾個方面:①Nu的增大與減小幅度變小了;②Nu出現最大值時的位置前移了,即θ=π/3時Nu將出現最大值,并維持一段平穩的空間;③最后一排管束的Nu將出現波浪變化。以上這些細微的變化對于無擋板的情況表現得更加明顯。比較圖6(a)和(b)的變化關系,可以看出安裝流體分布擋板后,局部Nu的分布出現了幾個細微的變化:①Nu比無擋板情況下要提高;②不同管束之間Nu的變動幅度比無擋板時要小;③同一管束Nu沿θ的變動比無擋板時要大。這主要是因為通過安裝流體分布擋板,殼程流體的分布更加均勻,入口段橫向流動的速度明顯增加,而軸向流動速度顯著減少。通過圖7可以看出,截面B-B局部Nu的變化趨勢和基本現象與截面A-A一致,但仔細比較圖6與圖7亦可以看出一些細微的變化,主要表現在截面B-B局部Nu比截面A-A要高,一般高出5%以上。這主要是因為在截面B-B處,流體的流動更加復雜,軸向成分比截面A-A所占的比例要高。有關不同Re下,局部Nu分布規律基本與圖6和圖7一致,也就是說在實驗范圍內,Re對Nu分布的影響很小,因此將不再重復討論。以下將對不同管束序號的局部平均傳熱性能進行分析。 3.2　局部平均表面傳熱性能進口段不同管束的局部平均Nu的分布如圖8所示。通過圖8可以看出,在相同Re下,隨著管束序號的增加,無擋板時的Nu減小幅度較大,而安裝分布擋板時的Nu減小幅度明顯放緩。同樣可以看出,在無分布擋板情況下,Re越大,曲線的斜率越大,也就是Nu的減小幅度越快;而在有分布擋板的情況下,曲線的斜率基本與Re的變化無關。這說明了當Re增大時,無擋板情況下的流體分布不均現象不斷加劇,而對于有擋板的情況影響很小。以上情況說明了采用擋板能夠有效促進殼程流場和Nu的均勻分布。為了更好地分析擋板對換熱器總的傳熱與流阻性能的影響,以下將從傳熱與流阻性能的變化進行分析。 3.3　換熱器整體傳熱與流阻性能換熱器的平均Nu和總的阻力性能比較分別如圖9—10所示。圖10中的阻力系數ξ定義如下: ξ=2Δp/(ρ·u2) (2) 式中:Δp為總壓降,Pa;ρ為流體密度, kg/m3;u為平均流速,m/s。通過圖9可以看出,在相同的Re下,有擋板的Nu比無擋板情況下提高10%左右,而且提高幅度隨著Re的增大而不斷增大。通過圖10可以看出無論是換熱器的總壓降還是阻力系數,有擋板時均比無擋板時升高10%左右。如果只比較Nu和阻力性能,似乎二者相差幾,但是由于采用擋板以后,殼側的局部Nu分布更均勻,由于Nu的分布均勻在一定程度上提高了換器的換熱效率,本質上就是減少傳熱過程的不可逆失[12]。因此綜合傳熱與流阻性能分析表明,分布板有利于流體的二次分配和提高換熱器換熱效率。 4　結論 (1)揭示了換熱器進口段的局部表面傳熱系數分布關系,并給出了適度的機理解釋與分析。 (2)通過局部傳熱性能的比較,不但可以看出不同管束局部平均傳熱性能的變化關系,亦可看出流體分布擋板可以有效促進殼程流體的分布,促使局部Nu的分布均勻化。 (3)通過整體傳熱性能與流阻性能的比較,可知采用流體分布擋板同時使得總Nu和壓降均升高10%左右,但是由于Nu分布均勻化,可以有效提高換熱器的換熱效率。參考文獻：略

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