换热管内插组合扭带强化传热的实验研究*

刘宜仔，林清宇，冯振飞，何荣伟，朱 礼

(广西大学化学化工学院 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004)

随着现代科技的快速发展，人类对能源需求不断地提高。从1950年到现在，地球对能源的需求已经增长了2倍。据此，现在每年消耗的能量相当于100亿t石油[1]。研究分析显示，各种能源的利用中，有80%需要通过热量的传递与转化，因此传热过程的强化技术能有效地提高能源的利用效率[2]。

换热管内插入扭带作为一种内插件式强化传热技术已在国内外得到广泛研究[3-6]。扭带以成本低、制作工艺简单、效果良好、特别适合旧设备的改造，并能同时实现在线防垢除垢而受到广泛关注。近年来，扭带技术的研究热点主要集中在2个方面，一是可以实现换热器在线除垢、抑垢的旋转扭带清洗技术的实验研究和工业应用，二是研究如何在最经济的驱动功率下，达到改造换热设备时期望的传热效率提高率[7]。作者在原有光滑扭带的基础上开圆孔，同时使扭带在不同位置正交交替错开，研究正交交替错开与开孔的组合型扭带插入换热管内的阻力特性和传热特性，分析其强化传热的效果，为其应用提供了依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置见图1。

图1 实验系统流程示意图

换热器管程流通工质为常温冷水，壳程流通工质为饱和水蒸气。换热管采用D42 mm×2.5 mm规格的无缝钢管，有效长度为3 000 mm。为了在实验过程中减少热量损失，使得实验数据更为准确，实验时在壳程的外表面包裹一层约50 mm 厚度的玻璃纤维保温层。冷水的流量采用IFM4080K的电磁流量计测量；换热管进出口水温采用TP3001电子温度计测量；整个实验装置的压降通过U型管水银压差计测量；壳程饱和水蒸气的压力由压力表测量；换热管内插入自旋扭带的转速采用SZG-441B手持式转速测量仪测量。

实验中，水泵将储水槽中的冷水输入管道，冷水依次流经流量调节阀和电磁流量计，通过一段上行管道使得冷水流动稳定后流入内插有扭带的下行立式换热管，最后经过一段倒U型状的稳压管排出管道；另一方面，离心泵将另一储水槽中的自来水输入DZF电蒸气发生器中加热产生饱和水蒸气，饱和水蒸气通过包裹有保温层的管道进入壳程给管程内的冷却水换热，最后一并与管程内被加热的冷却水经过稳压管排出管道。

1.2 组合扭带结构与参数

组合扭带结构示意图见图2。

图2 扭带结构示意图

扭带结构形式主要为正交交替错开与开圆孔组合一起的组合型扭带，制作的材料选择易于加工成型且密度小、耐腐蚀良好的铝条。铝条的厚度为0.5 mm，成型后的扭带长度为3 000 mm。为加工方便，整条扭带均分为3段加工完成，然后使用自制的连接件连接。其型号及主要结构参数见表1。

表1 组合扭带的结构参数

2 结果与讨论

2.1 压降分析

流体流动产生的阻力损失通常表现为换热管进出口的压降。为了直观、清晰反映并分析内插不同组合扭带换热管压降的变化关系，根据实验数据处理结果，得出相关压降Δp与流体流速u的关系图，见图3～图5。

内插入不同扭带换热管压降与流体流速的关系图见图3。

由图3可知，在相同流速下，扭带的扭率越大，压降反而减小。分析原因，扭带的扭率越大，扭带螺旋的程度越小，螺旋升角也变小，扭带造成流体轴向流通的阻力越小，整体的压降也变小。但是，从图3中也可以发现，随着扭带扭率的增大，其压降减小并不是很明显，最大流速时20-6-2-H扭带的压降相对于20-5-2-H扭带的压降仅减小2.4%，这说明扭带的扭率变化对换热管的压降影响并不是很明显。

u/(m·s-1)图3 不同扭率扭带的Δp-u关系图

分别插入组合扭带和开孔扭带的换热管压降与流体流速的关系图见图4。

由图4可知，在相同流速下，20-6-2-H组合扭带的压降比20-6-H开孔扭带压降要大，最大流速下压降提高了9.7%。相比于开孔扭带，组合扭带在结构上将扭带按一定错开率进行了正交错开，扭带的正交错开对换热管的压降的影响主要有2方面，一方面是扭带错开处的横截面会直接阻碍流体的流通而造成的部分阻力损失；另一方面是扭带的错开使得流体在轴向方向的流动方向发生改变而产生阻力损失。这2方面的阻力损失叠加，最终使得内插组合扭带换热管的压降远大于内插开孔扭带换热管的压降，说明了扭带的正交错开对换热管的压降影响显著。

u/(m·s-1)图4 组合扭带、开孔扭带的Δp-u关系图

内插入不同错开率组合型扭带换热管压降与流体流速的关系图见图5。

u/(m·s-1)图5 不同错开率扭带的Δp-u关系图

由图5可知，在相同流速下，换热管压降随着扭带错开率的减小而增大。这是因为扭带的总长度相同，错开率越小，说明扭带错开的段数越多，流体在流动过程中流动方向的改变越频繁，导致流体阻力损失增大，体现为换热管的压降增大。换言之，扭带错开段数越多，流体流通的阻力也越大。在流速最大时，20-5-2-H扭带换热管的压降比20-5-4-H扭带换热管的压降提高5.0%，说明扭带的错开率是影响内插扭带换热管压降的主要因素之一，这也进一步说明了扭带的正交错开对换热管的压降影响显著。

综合图3～图5，还可以发现，随着流体流速u的增大，换热管压降Δp的变化近似呈抛物线形式增大，插入扭带的换热管压降大于空管的压降。但是，流速较小时，扭带管以及空管之间的压降差距不是很明显，而在大流速条件下，内插扭带换热管的压降明显比空管的压降大，其变化速度也大。分析主要的原因可知：小流速下的换热管虽然由于扭带的插入减小了流体的流通面积，使得压降有一定的增大，但扭带没有转动或者转动速度较小，此时流体的阻力损失主要取决于换热管内壁面的粗糙度，对于空管或者扭带管，换热管内壁面的粗糙度是相同的，所以其压降的差距较小；当流速增大时，扭带的转动速度不断提高，使得流体因扭带的快速转动造成旋转流和二次流而产生的阻力损失也不断增大，导致整体的压降有了明显的提高，且增大的速度也比空管快，而不同型号的扭带管之间的压降差距主要体现为扭带结构的影响。

2.2 摩擦系数分析

摩擦系数与压降存在着必然的联系，摩擦系数是压降的无量纲转化。各扭带管的摩擦系数与雷诺数的关系曲线图见图6。

Re图6 扭带的摩擦系数与雷诺数关系图

从图6中可以知道，摩擦系数f随着雷诺数Re的增大而减小，开孔扭带的摩擦系数最小，错开率小的扭带摩擦系数比错开率大的摩擦系数大，这说明了扭带的正交错开对摩擦系数有较大的影响，组合扭带因为扭带的正交错开使得摩擦系数相比开孔扭带平均提高约10.5%。相对而言，扭带的错开率对摩擦系数的影响又比扭率的影响要显著，这跟压降的变化规律是一致的。

2.3 传热特性分析

努塞尔数是表示对流换热强烈程度的一个准数，反映对流使给热系数增大的倍数。采用Wilson图解法[8]并利用Matlab编程计算得出不同雷诺数下相应型号扭带管的努塞尔数。其实验数据计算结果绘制得到的换热管努塞尔数Nu与雷诺数Re的关系曲线图见图7。

从图7中很明显地看到，随着雷诺数的增大，换热管努塞尔数均增大；在相同雷诺数下，所有扭带管的努塞尔数都明显大于空管，且组合扭带管的努塞尔数均大于开孔扭带管，但对于各扭带管之间的比较而言，其努塞尔数相对提高率并不明显。数据分析显示，在实验雷诺数范围内，与空管对比，扭带管的努塞尔数平均提高13.01%～20.38%；与开孔扭带管对比，组合扭带管的努塞尔数平均提高0.67%～6.52%。

Re图7 努塞尔数与雷诺数的关系图

3 传热综合性能评价

根据上述对换热管阻力特性和传热特性的分析可知，换热管内插入不同型号的扭带后，其努塞尔数都得到了不同程度的提高，但是插入的扭带作用也同时增大了流体的流动阻力。因此单凭努塞尔数的提高来评价换热管传热性能的优劣与强化，明显不符合当前强化传热技术的要求。综合性能评价因子的提出很好地解决了这个问题。采用综合性能评价因子的方法，综合考虑努塞尔数以及流动阻力等因素，对换热管的传热性能进行综合评估，是目前判断换热管传热强化的有效方法之一。综合性能评价因子的评价准则公式为[9]。

式中：Nu0、f0为空管对应的努塞尔数和摩擦系数。

根据综合性能评价因子的评价准则，计算各扭带换热管的φ值，并绘制评价因子与雷诺数的关系曲线图，见图8。

由图8可知，换热管内插入扭带的传热综合性能评价因子φ都大于1，φ值最高达到1.16，组合扭带管的φ值都明显高于20-6-H的开孔扭带管。这说明了换热管内插入扭带后，传热性能确实得到了强化，并且组合扭带对换热管的传热强化效果明显高于开孔扭带。从总体上看，20-5-4-H组合扭带管以及20-6-2-H组合扭带管的φ值相对最大，传热综合性能相对最好。从图8中还可以看出，传热综合性能评价因子φ值随着雷诺数的增大逐渐趋近于1。这是因为流体随着雷诺数的增大，其湍动程度逐渐增大，当达到一定的湍动程度时，扭带对管内流体的湍动扰流作用相对于流体本身而言并不明显，作用很小，故而传热强化效果很小，表现为评价因子φ值趋近于1。这也说明了换热管内插入组合扭带的强化传热较为适用于小雷诺数工况下的流体，对雷诺数很大的工况流体传热强化效果并不明显。

Re图8 传热综合性能评价因子与雷诺数的关系图

综上所述，在光滑扭带的基础上中间开圆孔，同时使扭带在不同位置正交交替错开，使得流体流经圆孔处时产生漩涡，流体流经错开位置时流动方向发生改变，导致换热管内流体层流边界层和热边界层的破坏程度大大提高，流体混合程度增大，从而增强了换热效果。

4 结 论

作者对换热管内插入组合扭带强化传热进行了实验研究，并与开孔扭带管和空管进行比较，分析了组合扭带管、开孔扭带管以及空管的压降Δp、摩擦系数f和努塞尔数Nu的变化关系，同时采用传热综合性能评价因子的方法对换热管内插入组合式扭带和开孔扭带进行强化传热综合性能评估，得出以下结论。

(1) 换热管压降Δp随流体流速u的增大近似呈抛物线形式增大，扭带管压降大于空管的压降，组合扭带管压降大于开孔扭带管的压降；组合扭带管压降随着扭带扭率的增大而减小，随着扭带错开率的减小而增大，但扭率对压降的影响并不明显，错开率是影响压降的主要因素；

(2) 换热管的摩擦系数f随流体雷诺数Re的增大而减小，且错开率越小，摩擦系数越大；组合扭带管的摩擦系数比开孔扭带管平均提高10.5%；

(3) 换热管努塞尔数Nu随流体雷诺数Re的增大而增大。扭带管的努塞尔数比空管平均提高13.01%～20.38%，组合扭带管的努塞尔数比开孔扭带平均提高了6.52%；

(4) 换热管内插入扭带的传热综合性能评价因子φ都大于1，φ值最高达到1.16，组合扭带管的φ值都明显高于20-6-H的开孔扭带管。这说明了换热管内插入扭带后，传热性能确实得到了强化，并且组合扭带对换热管的传热强化效果明显高于开孔扭带；

(5) 总体上，20-5-4-H组合扭带管以及20-6-2-H组合扭带管的φ值相对最大，传热综合性能相对最好。传热综合性能评价因子φ值随着雷诺数的增大逐渐趋近于1，说明了换热管内插入组合扭带的强化传热较为适用于小雷诺数工况下的流体，对雷诺数很大的工况流体传热强化效果并不明显。

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