管内外流对换热器热效应的影响

管内外流对换热器热效应的影响

2001年下半年，河北省某公司引进了一种薄厚矩形波纹管专业技术（也称为波节管），将波节管用作rv-04垂直p型换热器、hv半体积型换热器和u型列管快速换热器，并将其开发成新一代换热产品。对其进行了正式的热强度测试。下面就波节管换热器提高热效的原理,热工性能测试结果及其与同型光面U型管、浮动盘管换热器的性能对比等作一简介。1流股压力的特性采用波节管等异形断面管可以作为提高传热系数的有效措施在传热学等教科书中早有专门介绍。这次引进的“波节管”专利中波节管的形状是东北大学郎逵教授、荣秀惠高工在大量的试验研究的基础上优化筛选出来的,其结构见图1。在图1所示的流道里,流体在管内的流动具有以下特点:(1)通过有规律的周期性断面变化,使管内流体总是处在规律性扰动状态,形成不了与轴线平行的流股,使管内流体的温度、密度、杂质含量沿径向是均匀的;(2)弧形段(L2)内由于前后具有“引射效应”与“节流效应”,使弧的全部内表面都受流体的冲刷;(3)直线段(L1)的几何尺寸,保证L1/D1<2,这种条件下边界层无法形成,其局部换热系数较直管高出3倍以上。基于上述特点,“一种高效换热器”与“一种紧凑式换热器”具有以下基本特点:(1)管内流体的温度、密度、杂质含量沿径向呈均匀性,因此排除了结垢和堵塞的可能性;(2)由于冲刷良好,L1与L2均形成不了边界层,并且还冲刷了污垢层,使管内换热系数提高2～3倍;(3)由于r1与r2曲率,排除了轴向与径向应力的集中,并在很大范围内改变了自身的固有频率;(4)由于流动中改变形状不需高的流速,故流阻并不大。郎教授对上述关于流体在波节管中流动的特征及因此而提高传热系数的原理等阐述得很完整。此外,管外的流体流经波节管外壁时,不仅增大了接触面(即增大了换热面积)而且由于整个换热管束间断面的凸凹变化使流体形成紊流,亦可增大换热管外壁向流体的放热系数。以波节管为换热元件的换热器将具有传热系数高,不易结垢、节能、体积小、重量轻等一系列优点。2等系列产品的研制用于制备生活热水的RV系列产品包括RV-02立式容积式换热器、RV-03、04导流型卧、立式容积式换热器、HRV-01、02卧、立式半容积换热器、DFHRV立式浮动盘管换热器等系列产品,均是我院自1989年以来研究设计的。10多年来,这些产品在国内众多工程项目中应用广泛,取得了明显的经济与社会效益。其中有四个系列产品已列入国家标准图集。我们这次应用波节管先后改进了RV-04导流型立式容积式换热器、HRV-01、02卧、立式半容积式换热器及U型列管式快速换热器,并新研制了BQH波节管采暖用快速换热器和BQC波节管空调用快速换热器。为了进一步提高传热系数K值,我们将波节管的材质由薄壁不锈钢改为薄壁铜管,因紫铜的导热系数是不锈钢的21倍,对进一步提高传热系数有一定作用。2.1波节管传热性能测试采用波节管作为换热元件,取代“RV-04”中的光面U型管,开发出DBRV-04大波节管导流型立式容积式换热器(以下简称“DBRV-04”)。为测试波节管的传热性能和效果,于2001年11月试制了1台未经任何改动的V=3m3的“DBRV-04”设备,分别进行“汽-水”与“水-水”换热的热工测试。在自测取得满意结果的基础上,请国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心(以下简称“测试中心”)复测,并以其结果作为系列产品的设计依据。“DBRV-04”试验罐的热工性能测试数据汇总见表1。2.2dbhnv-0、32卧立式半容积式换热器dbrtv“DBRV-04”试验罐的热工测试数据表明:以波节管为换热元件的“DBRV-04”的换热性能比以光面U型管为换热元件的“RV-04”有显著的提高。据此,2002年初对HRV系列半容积式换热器进行改进。开发出DBHRV-01、02卧立式半容积式换热器(以下简称“DBHRV”)。“DBHRV”在原“HRV”产品的基础上作了如下改进:①用波节U型管代替光面U型管,并根据波节管的特点对U型管的排列作了较大的调整;②结合波节管的布置重新组织被加热水的流程,使其能与换热管外壁更充分接触,并起到一定的紊流换热的作用;③使热媒与被加热水在换热器中形成完整的逆流换热,借以进一步提高其换热效果;④经加热后的水从换热部分顶部管道引至贮热罐体的底部,从而保证“DBHRV”从下到上均是同温热水,真正做到了容积利用率为100%。2002年3月对“DBHRV”试验罐进行了热工性能的自测与“测试中心”的复测。其热工性能测试数据汇总见表2。2.3快速换热器铜制波节管DN100～200U型列管式快速换热器是一种两端为固定管板、壳体中有一膨胀节、换热管密布的传统产品。这次将其以铜制波节管取代原光面管,并省去了壳体上的膨胀节。新产品定名为大波节管U型列管式快速换热器。2002年11月对其试制产品进行了热工性能测试,结果见表3。2.4浮动盘管换热器的热性能对比研制大波节管BQH采暖用快速换热器(以下简称“BQH”)与大波节管BQC空调用快速换热器(以下简称“BQC”),一是为了弥补上述DN100～200U型列管式快速换热器不便维修的缺陷,二是为了对比近年来推广应用最热的浮动盘管换热器的热工性能。“BQH”、“BQC”两种产品构造基本一致。主要构造特点是热媒与被加热水流程的合理匹配,大波节U型管均匀密布,避免被加热水短路通过。2004年6月对“BQH”、“BQC”两台试验罐分别进行了“汽-水换热”与“水-水换热”热工性能自测与“测试中心”的复测,其测试数据整理见表4与表5。3波节管换热器热性能从以上所述波节管换热器提高换热效果的原理及4种波节管换热器的热工性能测试数据表中可定性地看出“波节管换热器”的高效换热性能,下面通过表6所列波节管换热器与其他相应同型的各种换热器实测的主要热工参数对比则可以定量地看出波节管换热器的优异效果(表6所列数据均是以换热面积为准,取其单位换热面积热媒流量相近的实测热工参数)。3.1bqc管及其他水-水换热元件的性能传热系数K是衡量换热器热工性能的关键参数。表6中,汽-水换热时,以波节管为换热元件的“DBRV-04”、“DBHRV”、“BQH”、“BQC”分别比以光面U型管为换热元件的“RV-04”、“HRV”以及浮动盘管为换热元件的“DFQ-R”、“DFQ-C”提高1.96、1.86、1.57、1.81倍,平均提高1.80倍。水-水换热时,分别提高的值为2.46、2.19、2.69倍,平均提高2.446倍。大波节管U型列管式快速换热器实测汽-水换热时K的最大值达13020W/(m2·K),这是至今笔者所见到的换热器中的最大K值。3.2水-水换热及采暖以波节管为换热元件的换热器换热效果优越的另一特征是:在大幅度提高K值的同时,热媒温降ΔT与被加热水温升ΔT′明显提高。汽-水换热时,“DBRV-04”、“DBHRV”凝结水出水温度T2为37.03℃、26.1℃,比“RV-04”、“HRV”的64.2℃、71.3℃要低得多。前者的ΔT为103.54℃、119.29℃分别比后者的81.5℃、48.9℃提高了0.27、1.44倍。“DBRV-04”、“DBHRV”的被加热水温升ΔT′为63.48℃、47.7℃分别为“RV-04”、“HRV”的ΔT′为41.1℃、41.0℃的1.54、1.16倍。水-水换热时,“DBRV-04”、“DBHRV”的ΔT为39.95℃、38.55℃,ΔT′=48℃、43.3℃,分别比“RV-04”、“DBHRV”的ΔT=27.3℃、19.78℃,ΔT′=37℃、34.19℃提高0.46、0.93和0.3、0.27倍。采暖及空调用的快速换热器,因测试要控制被加热水的温度范围,即采暖用控制T′1≈65℃,T′2≈90℃,ΔT′=20～25℃,空调用控制T′1≈50℃,T′2≈60℃,ΔT′=10～15℃。因此“BQH”、“BQC”与“DFQ-R”、“DFQ-C”汽-水换热时ΔT基本相似。但水-水换热时ΔT′相似条件下,“BQC”的ΔT=88-62=26℃,“DFQ-C”的ΔT=94.59-73.82=20.77℃,前者为后者的1.25倍。3.3金属热强度的测定评价一个换热器热工性能好坏的综合性指标是金属热强度,亦即单位耗钢量的产热量。从表5所列的几种换热器来看,以单位换热面积的产热量代表金属热强度作为综合指标。其值见表7。3.4快速传热器与被加热水的阻力比较从表1,表2可看出:“DBRV-04”、“DBHRV”汽-水换热时,热媒阻力分别为0.08MPa,0.14MPa;水-水换热时,当传热系数达到2300～2450W/(m2·K)时,热媒阻力约为0.09MPa,两种产品的被加热水一侧的阻力损失均≤0.01MPa,完全满足制备生活用热水时,换热设备主要保证被加热水的阻力小、供水系统冷热水压力平衡的要求。“BQC”、“BQH”两种快速传热器的热媒与被加热水的阻力损失如表4和表5中ΔP1、ΔP2所示。“BQC”水-水换热K=6603.2W/(m2·K)时相应热媒的ΔP1=0.105MPa,被加热水ΔP2=0.05MPa,并不算大。这说明:波节管换热器的K,ΔT,ΔT′的大幅度提高并没有引起热媒与被加热水阻力的增大。4波节管换热器供热性能优越通过对波节管的构造、提高换热效果的原理、波节管导流型容积式换热器、半容积式换热器、快速换热器的热工测试数据及其与同型光面U型管,浮动盘管换热器的对比,可十分明显地看出波节管换热器热工性能优越的特点。4.1减少热耗型产品由于波节管换热器的K值很高,单位换热面积的产热量要比同型产品高出1