热3017高频焊螺旋翅片热管换热器特性的研究

1编号热3017高频焊螺旋翅片热管换热器特性的研究徐通明牟楷南京化工学院中国工程热物理学会第一届热管会议传热传质学会一九八三年八月2符号说明A换热器表面积米2Ah换热器蒸发段翅片管管外表面积米2Ac换热器冷凝段光管管外表面积米2Cp定压比热千卡/公斤·ºCDo光管外径米Di热管内径米dv热管内蒸汽通道直径米Dev容积当量直径米NFV流动净自由容积米3F流体阻力系数Gm通过最小截面积的最大质量流量公斤/米2·时Gc重力换算系数gc=1.27×108公斤·时2h管外换热系数千卡/米2·时·ºChh以Ah为基准的管外换热系数同上hc以Ac为基准的管外换热系数同上hie以热管内蒸发段面积为基准的管内蒸发沸腾换热系数同上J热的机械功当量公斤·米/千卡Lg气流流过的长度米Nu努赛尔数3P锅炉内饱和蒸汽压公斤/厘米2Δpv热管内蒸汽压差同上Q热流量千卡/时Q热流密度千卡/米2·时R热阻ºC/W或千卡/W或米2ºC/千卡Reh传热计算雷诺数Rep阻力计算雷诺数R汽化潜热千卡/公斤热管间距米SL热管间距米T温度ºCtw壁面温度ºCtf气流温度ºCthi换热器热流体进口温度ºCtci换热器冷流体进口温度ºCthcp换热器热流体、出口平均温度ºCTv热管内蒸汽温度ºCΔtm对数平均温度ºCU总传热系数千卡/米2·时·ºCW气流速度米/秒λ管壁导热系数千卡/米2·时·ºCλl液体导热系数同上STSL4μ气体粘度公斤/米·秒μw壁温下气体粘度同上ρl液体密度公斤/米3ρU管内蒸汽密度同上ηf翅片效率ε换热器效率5一、引言热管是一种高效传热元件，由热管组成的换热器，由于其传热效率高。阻力损失小，结构紧凑，运行周期长等特点，常作废热回收装置，在国外已获得广泛的应用。近几年来，国内对热管和热管换热器研究和实用计算公式正在蓬勃兴起。除了需要对热管的单管性能进行试验以外，还必需对热管换热器整体性能进行研究。尤其在为提高传热率而广泛采用高频焊接螺旋翅片管作为管壳后，对这种换热器的整体性能研究更为迫切。本文是对气流横掠高频焊接螺旋翅片管管束的换热规律和阻力特性进行了实验研究。通过对四十四个工况下的总传热系数的测定，并分离出管外换热系数以及阻力试验，得出相应的计算式。用实验得出的准则方程式和计算式，设计式，设计了两台热管换热器，对此两台热管换热器的性能进行了现场实测，实测数据与设计数据合得较好。二、传热特性的研究1．实验模型分析：热虹吸管具有传热率高，结构简单，工作可靠和价格便宜等优点，目前地面应用的热管换热器很多采用热虹管作为传热元件。热虹吸管的传热模型如图1所示（1）。热虹吸管的传热过程是由七个传热环节所组成，即蒸发段管外换热热阻hhR116图1热虹吸管传热模型蒸发段管壁导热热阻蒸发段管内蒸发、沸腾热阻。它是由两部份组成（1）4.023.01.04.025.02.07.03.065.032.0eaevpeeepqRRgch过量充液量形成的液池沸腾换热热阻，沸腾换热系数hp通过量纲分析，可用下式计算[1](1)膜LCLaLeioddendR022iehR137（2）回流冷凝液层流液膜蒸发换热热阻，它可以看成是冷凝换热热的逆过程，液膜传热系数hf可用下式计算(2)(2)蒸汽由蒸发段流向冷凝段的轴向流动热阻，这热阻与其他各项热阻比较，数量级小得多[3]，因此可以忽略不计。冷凝段凝结换热热阴，可根据Nusselt冷凝理论求出平均传热系数(3)其中(4)冷凝段管壁导热热阻冷凝段管外换热热阻JTRvvv4313431234/efeefRghcihR15313431234/eceecRgh/.4LcqcReciddengdR006chR178上述七个传热环节构成了从高温热源到低温冷源的全部传热过程，这七个传热环节是一个完整的串联热路如图2所示，由此可得总热阻的计算式(5)若忽略蒸汽压差流动过程的热阻R4，则（5）式可以写成R=R1+R2+R3+R5+R6+R7（6）其中R1与R7是管外热阻，R2，R3，R5与R6是管内热阻图2热阻和热路2.实验数学关系式的建立今以蒸发段管外总表面积为基准，则总传热率的方程式为(7)这个方程也是总传热系数U的定义方程。总热阻与各热阻之间的关系可写成(8)根据式（8），等式左边总传热系数U可以根据实验测得的Q、△tm和已知的Ah计算出来。等式右边第二项中的R2与R6，由于碳钢的导热系数随温度变化甚微，所以当热管尺寸一定时，R2与R6可以认为是常数。等式右边的第三项与第四项中，R3可以用式（1）与式（2）进行计算，R5可以用式（3）与式（4）进行计算，单管试验表明用式（1）一式（4）127iRRimhtUAQchcchcihhhhhfhAAhAARAARAARAARhUR1116532009计算误差较小。等式右边的第六项中hc可以采用大容积沸腾换热系数的经验公式（4）进行计算，当饱和蒸汽压在1-40公斤/厘米2时其中p与q均可由实验测得。等式右边第一项中的hh是我们所要寻求的量，从传热学知道，气流横掠管束时的换热准则方程为(10)(10)式亦可写成式(11)将（11）代入（8）式，经整理后可得其中（12）（13）（12）两边取对数（14）如果设15.017.014.3qhc31rmehupARN310310.rmehhrmehhpARdhpARdhchcihhihchhchinrfmehAAhAARAARAAAAddldCpdCUAR1215300310131011rfuehunpdCUlRmlAlbxaypdCUlyRlxmbAlarfnehnu3101110则（14）式可写成（15）式（15）即为实验数学关系式，y与x成线性关系，通过实验测得四十四对x,y，采用线性回归的方法，就可以求得A与m，从而求得高频焊接螺旋翅片管的管外换热的准则方程式。3.实验装置与方法试验用的热管，光管外径为∮32.5毫米，翅片高为14.75毫米，翅片间距为6。33毫米，蒸发段长度为500毫米，冷凝段长度为30毫米，冷凝段为光管，热管作成无吸液芯的碳钢-水热虹吸管。试验用热管换热器由14根热管组成，按等边三角形排列，间距sL与sT为65毫米，共排成9排。由燃油炉产生高温烟气经配风口配入适当的空气后横掠热管管束的加热段，再经引风机排空。冷水用注水泵连续地向热管管束的冷凝段供水，吸热后变成蒸汽经汽水分离及节流膨胀后进入板式冷凝器冷凝成水。烟气进、出口温度由镍铬-镍硅热电偶与数字电压表示测定。烟气流量是用笛形管和倾斜式微压计测量。蒸汽的温度和压力用水银温度计和压力表测量，通过节流膨胀测定的干度，并计量蒸发率。11从公式（11）中可以看出，管外换热系数hh是几何参数、气流速度和物性参数的函数。在试验过程中几何参数是不变的，而物性参数μ、λ、Сp和ρ在烟气成份变化很小的情况下主要取决于烟气的温度。所以可以认为（16）根据以上分析，试验时维持某一个烟气流速和烟气平均温度作为一个试验工况。实验时烟气温度分别选用240ºC、280ºC、320ºC、350ºC、和380ºC，烟气流速是在Reh=6000-14000范围内选取6-9个测点。4.试验结果通过44个试验工况下测得的数据经过计算得出y-x的关系曲线如图4所示。从图中看出有较好的线性关系。用线性回归的方法得出的气流横掠高频焊接螺旋翅片管的管外换热系数的准则方程为（17）本准则方程的定性尺寸为光管外径do，定性温度为烟气平均温度tf。适用范围tf=240~380ºC、Ren=6000~14000。三．阻力特性的研究设计热管换热器时，气流通过换热器的压力损失将导致能量损失，直接影响换热器的经济效益。根据相似原理管内流动的准则方程式（6）为（18）或(19)由在水平管内流动压差△р与管长成正比，因此fhtfh,316338.01370.0rehuRN211dlRpdlREeeu12(20)最后可以写成管内流动沿程阻力的统一计算式为(21)对于气流通过换热器内翅片管束时，压力损失可以认为与气流密度成正比与容积当量直径成反比。S、L、Jameson(7)提出的经验公式为(22)并推荐(23)（23）式是特定情况下得出的，对于高频焊执着螺旋翅片管管束叉排的情况下，f与雷诺数Rep的关系还需用实验确定。而在北紊流区与Rep的关系一般具有以下形式为了用实验方法来找出系数B与指数n，将（24）式代入（22），经整理后得(25)两边取对数后得(26)今设则（26）式成为2dlRFpe22dlfp25.06.04.014.02Re38.3.....2..pfSLSTSLDevDevgcLgGfwmnpBfRe6.04.04.02.2ReSLSTSLDevLgDevGgcpBwmn6.04.04.02.2ReSLSTSLDevLgDevGgclpmlBlwmnnn6.04.04.02.2'Re'''SLSTSLDevLgDevGgclyplxnblawmnnn13y’=a’+b’x’(27)同样用所选的44个试验工况下得出实验数据计算出44组x1，y。用线性回归的方法得出阻力系数f与雷诺数Rep的关系式(28)度验所得的r与Rep的关系表示在图5上。其中雷诺数Rep用下式计算(29)特尺寸为Dev，定性温度为气流温度tf，适用范围为Rep=2400-6000，tf=240ºC-380ºC四．讨论1.实验精度分析气流横掠翅片管管束管外换热的准则方程式Nu=0.1370Re+0.6338prt的相关系数r=0.912,说明线性关系较好，剩余标准差S=0.0364。说明按±3s取分布范围，置信区间为y=a+bx±3s即99.7%数值落在此区间内。气流横掠翅片管管束的阻力系数关系式∮=1.307Rep-0.2206它的相关系数r=0.90，说明线性程度仍较好，剩余标准差s=0.0139,取±3s为分布范围则置信区间为y1=a1+b1x1±3s说明有99.7%的数值落在此区间内。2.应用范围本文得出的两个关系式，上面已指出了气流温度范围与气流Re的范围，除此之外，还受几何条件的限制，由于我组在设计每小时回收10万到60万千卡热量的热管换热器，普遍采用上述几何尺寸的热管与等边三角形的叉排形式，所以度验结果在这种几何条件下是完全适用的。本文还没有作管径、顺排、管间距、翅片高与翅片间距等因素的影响。所以对于与本实验几何条件不同的热管换热器，原则上不能应用本文的结果，但是我们从实际换热器的测试中发现，对于几何条件不同（顺排除外）的热管2206.0Re307.1pfDevGmpRe14换热器本文所得的关系式也具有良好的参考价值。3.与实测结果对比用本实验所得的关系式分别设计了两台热管换热器，一台是江苏省如东县化肥厂的热管余热锅炉，一台是常州市第四印染厂的热管空气预热器，其设计值与实测值对比如下表常州市第四例子染厂热管空气预热器如东化肥厂热管余热锅炉设计值QUAP（热）AP（冷）24825千卡/时15.20千卡/米2·时·C17.9mmH2O12.5mmH2O233100千卡/时（按排烟温度220ºC30千卡/米2·时·ºC33mmH2O实测值QUAP（热）AP（冷）24082千卡/时14.69千卡/米2·时·ºC15.1mm