三维翅片管外螺旋流动传热强化

1、三维翅片管外螺旋流动传热强化张正国，余昭胜，方晓明，高学农(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640)摘 要：流体在螺旋隔板换热器的壳程类似于塞状流流动，几乎没有返混和流动死区在相同压降下，其传热系数比普通的弓形隔板换热器高得多以润滑油作为实验介质，研究了润滑油在螺旋隔板单管换热器的壳程传热和压降性能，并与光滑管进行了性能对比采用Wilson图解法分别分离出了螺旋隔板花瓣管和光滑管单管换热器的管程传热系数，并计算出各自的壳程传热系数，壳程传热系数相对误差为±3%,实验结果表明，在相同Reynolds数下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的Nusselt数和压降p分

2、别是螺旋隔板光滑管单管换热器换热器相比，螺旋隔板花瓣管单管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，花瓣管具有很好的传热强化性能关键词：花瓣管；螺旋隔板；传热强化Heat transfer enhancement for helical flowing outside three-dimensional fin tubeZHANG Zhengguo, YU Zhaosheng, FANG Xiaoming, GAO Xuenong(Key Laboratory of Enhanced Heat Tran.s fer and Energy Conservation, Minis

3、try of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)Abstract: The flow pattern on the shell side of a helically baffled heat exchanger is near plug flow conditions, which almost eliminates backmixing and dead space on the shell side. The heat transfer coefficie

4、nt of the helically baffled heat exchanger is much higher than that of conventional segmental baffle heat exchanger at the same pressure drop, In this paper, experiments were conducted for cooling water flowing in the tube side on the helically baffled heat exchanger with lubricating oil as the work

5、ing medium flowing on the shell side. The tested tubes included one petal-shaped finned tube and one smooth tube elected for performance comparisom The heat transfer coefficients were obtained by using the Wilson plot method and pressure drop on the shell side was directly measured for the two heat

6、exchangers. The relative error of heat transfer coefficient on the shell side was within +3%. The results showed that the Nusselt numbers and pressure drops on the shell side of the helically baffled heat exchanger with petal-shaped finned tube were 2-2.7 and l. 3-1.4 times larger than those of the

7、helically baffled heat exchanger with smooth tube at constant Reynolds number, respectively, The petal-shaped finned tube could significantly improve the shell side heat transfer performance for the helically baffled heat exchanger.Key words: petal-shaped finned tube; helical baffle; heat transfer e

8、nhancement引 言壳管式换热器广泛应用于化工、石化、动力和制冷等领域，是量大面广的通用设备，其传热效率的高低直接影响到过程或工艺的能源利用效率螺旋隔板换热器是一种新型的强化传热型换热器，近些年来，国内外许多学者对螺旋隔板换热器进行了大量的研究工作Kral等1以有机玻璃的模型换热器为对象，采用染料作为示踪剂的“刺激一响应技术(stimulus-response technique)”，研究了螺旋隔板换热器壳程流体的流动特性结果表明：壳程流体类似于塞状流(plug flow)流动且几乎没有返混和流动死区Kral等还以水一水换热为对象，研究了螺旋隔板换热器的传热性能及螺旋角的影响实验结果表明

9、：螺旋角为40°时，换热器的传热性能最高Wang2采用LDA (laser Doppler anemometry)技术对螺旋隔板换热器的壳程流场进行了测量，并研究了螺旋角的变化对流场的影响总体来看，随着螺旋角的减小，线速度和脉冲速度增大，从而有利于促进传热，但流体的流动损失也增大也有学者提出将强化管与螺旋隔板相结合以进一步提高螺旋隔板换热器的传热性能，Chunangad等3以海水冷却平台气为对象，研究了螺旋隔板低肋管换热器的传热性能，结果表明，在相同热负荷下，螺旋隔板低肋管换热器的总换热面积和压降均为普通弓形隔板光滑管换热器的一半低肋管为二维翅片结构的强化管，按照Bergles4的观

10、点，它为第二代的传热技术但很少有螺旋流条件下三维翅片管与光滑管传热性能对比的研究报道花瓣管具有特殊的三维翅片结构5，为第3代传热技术本文以水冷却美孚润滑油( Mobilther Light，603)为实验对象，研究了润滑油在作者自主开发的花瓣管(petal-shaped fin tube，简称PF tube)外螺旋流动的传热与压降性能，并与光滑管进行了性能对比1 实验系统实验流程如图1所示，主要由螺旋隔板单管换热器、油箱、水箱和测量系统组成，润滑油在油箱中被加热到给定温度后，经油泵送到螺旋隔板单管换热器的壳程流动，来自水箱的冷却水在管内流动并与壳程润滑油呈逆流换热冷却水、润滑油的温度由直接连接

11、电脑的数据采集仪( data acquisition/switch unit)获得；冷却水的流量用玻璃转子流量计测得，油流量用椭圆齿轮流量计及秒表计算得到，壳程的进出口压力差由压力差计测得，油箱里的油温用恒温控制装置调控温度螺旋隔板单管换热器是由缠绕螺旋隔板的实验管套人内径为27 mm的圆管内而构成，实验传热管包括一根花瓣管和一根光滑管，花瓣管的三维翅片结构参数见表1两根实验管外缠绕的螺旋隔板其结构和几何参数相同，隔板间距18 mm，螺旋角40°，隔板的外圆直径与外套管内径负偏差低于1 mm.缠绕螺旋隔板的花瓣管和光滑管的照片如图2所示1-oil storage tank；2-oil

12、 pump；3-oil flow meter；4, 5-oil valve；6-test section；7, 11, 12-water valve；8-water flow meter；9-water pump；10-water storage tank；13-computerFig.1 Schematic diagram of test apparatus Fig.2 Tested tubes wrapped with helical baffleTable l Geometrical parameters of tested tubesTube typeStaring smooth tu

13、be/mmFin height /mmFin space/mmFin pitch/mmFin efficiencyEfficient length/mmsmooth tube16×1.51570P.F tube16×1.51.51.01.22.45702 实验方法为便于固定螺旋隔板，需在管外滚轧加工螺旋沟槽，在管内就形成了螺旋凸肋，因此管内水的对流传热系数未知，而且本实验中直接测量壁温来计算壳程传热系数很困难，在这种条件下，经常是采用Wilson图解法6获得管内的对流传热系数，再计算出管外的对流传热系数壳程热负荷 （1）管程热负荷 （2）管程和壳程的定性温度均取进出口的平均

14、温度或本实验中，管程热负荷与壳程热负荷偏差的绝对值小于2%，热平衡较好以坯管外表面积为基准的总传热系数可表示为 （3）其中 （4） （5） （6） （7） （8）总传热系数可以表示为 （9） 在保持管外油流量及定性温度基本不变的情况下可保证o不变，另外由于本实验所用传热管是新加工的，故可认为Ro约等于零，可得 （10） （11）令故式(9)可写成线性方程 （12） 对式(12)进行线性回归即可得出系数m、b，从而分离出换热器管程的传热系数i，并由式(10)计算出壳程传热系数o通过误差传递公式7，计算出壳程传热系数的相对误差为±3%3 实验结果与分析Wilson图解法的实验结果如图3和

15、图4所示Fig.3 Wilson plot results for smooth tube Fig.4 Wilson plot results for petal shaped fin tube根据图3和图4的结果，分别得出螺旋隔板光滑管和花瓣管单管换热器的管程水的对流传热系数关系式如下 （13） （14）Re的范围为1000022000，Pr的范围为5.35.8从式(13)和式(14)可以看出，由于管内凸肋的存在，使得其对流传热系数比经典的DittusBoelter公式8的计算值大同时，螺旋隔板花瓣管单管换热器的管内对流传热系数明显高于螺旋隔板光滑管单管换热器，其原因是，花瓣管上固定螺旋隔板

16、，须加工更深的螺旋沟槽，从而导致管内凸肋高度增大同时，加工花瓣管时对管内表面也产生影响，使流体湍动增强，传热系数增大图5为螺旋隔板花瓣管单管换热器和螺旋隔板光滑管单管换热器的壳程油流体的Nusselt数与Reynolds数的关系式，由图5可以看出，随着Re的增大，壳程Nu也增大，花瓣管比光滑管增加的幅度更大在相同Re下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的壳程Nu是螺旋隔板光滑管单管换热器的22.7倍Fig.5 Nusselt number vs Reynolds number for smooth and petal-shaped fin tube图6为螺旋隔板花瓣管单管换热器和螺旋隔板光滑管单管换热

17、器的壳程油流体的压降p与Re的关系式，从图中可以看出，随着Re的增大，p明显增大，且两台换热器的增幅大体相当在相同Re下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的壳程压降p是螺旋隔板光滑管单管换热器的1.31.4倍对比螺旋隔板光滑管单管换热器的Nu和p，可以看出，螺旋隔板花瓣管单管换热器的Nu的增幅比p大得多，证明其具有良好的强化传热性能花瓣管强化传热的机理为：花瓣管的外表面积是光滑管的2.4倍，面积的增加提高了传热性能；润滑油在花瓣管外螺旋流动时，花瓣管特殊的三维翅片对润滑油产生强烈的剪切作用，激发了润滑油边界层流体的湍动和分离，从而强化了传热Fig.6 Pressure drop vs Reynolds

18、 number for smooth and petal-shaped fin tube4 结 论(1)对于螺旋隔板花瓣管和光滑管单管换热器，随着壳程油流体Re的增大，其Nu和压降p也增大，在相同Re下，螺旋隔板花瓣管单管换热器的Nu和p分别是螺旋隔板光滑管单管换热器(2)与螺旋隔板光滑管单管换热器相比，螺旋隔板花瓣管单管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，花瓣管具有很好的传热强化性能符号说明b，c，e，m常数t温度，Kcp比定压热容，J·kg-1·K-1V体积流量，m3·s-1di，do分别为坯管内径、外径，m传热系数，W·m-

19、2·K-1Fi，Fo分别为坯管内表面积、外表面积，m2热导率，W·m-1·K-1K总传热系数，W·m-2·K-1密度，kg·m-3l有效管长，mPrPrandtl数下角标Q热负荷，Wi进口ReReynolds数m平均Rs污垢热阻，m2·K·W-1o出口Rw管壁热阻，m2·K·W-11壳程T定性温度，K2管程References1 Kral D, Stehlik P, van der Ploeg H J, Master B I. Helical baffles in shell-and-tube

20、heat exchangers ( I ) : Experimental verification. Heat Transfer Engineering, 1996, 17 (1): 93-1012 Wang Shuli. Hydrodynamics studies on heat exchangers with helical baffles. Heat Trans fer Engineering, 2002, 23 (3) : 43-493 Chunangad K, Oonnell Jr, Master B I. Helifin heat exchanger/Shah R K. Proceedings of the International Conference on Compact Heat Exchangers for the Process Industries. New York: Begell House, 1997: 281-2894 Bergles A E. Enhanced heat transfer: endless frontier, or mature and routine.