離心浮力對折流柵-螺旋槽管換熱器傳熱性能的影響

發(fā)布時(shí)間：2010-8-11 瀏覽：4011

　　摘要：由流體徑向溫度梯度引起的離心浮力對旋流強(qiáng)化傳熱效果有重要影響。通過管程與殼程均有旋轉(zhuǎn)流動的折流柵-螺旋槽管水-水換熱器，就離心浮力對旋流強(qiáng)化傳熱效果的影響進(jìn)行了管、殼程冷、熱流體交換的對比實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在相同的管、殼程流速下熱流體在殼程時(shí)換熱器總傳熱系數(shù)比熱流體在管程時(shí)相對高出約33%。故在有旋流存在的管殼式換熱器中，離心浮力對換熱器傳熱性能的影響不可忽視。當(dāng)熱阻較大一側(cè)有旋流存在時(shí)，離心浮力對換熱器傳熱性能的影響更為明顯。

　　關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；強(qiáng)化傳熱；旋流；離心浮力；螺旋槽管；折流柵

　　中圖分類號：TK 264.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000–6613(2008)04–0573–04

　　旋流被廣泛用于管殼式換熱器的強(qiáng)化傳熱中。在管內(nèi)加裝螺旋片、螺旋線圈、扭帶等，對換熱管進(jìn)行特殊加工如螺旋槽管、螺旋扁管、螺旋肋片管等，殼側(cè)支撐采用螺旋折流板、按一定間距旋轉(zhuǎn)布置的折流柵等均可在管側(cè)或殼側(cè)形成旋流。研究表明[1-6]，由流體徑向溫度梯度引起的離心浮力對管內(nèi)旋流強(qiáng)化傳熱效果有著重要影響，表現(xiàn)為管內(nèi)流體被加熱時(shí)旋流對傳熱強(qiáng)化的貢獻(xiàn)大于管內(nèi)流體被冷卻時(shí)。因而，對于利用旋流強(qiáng)化傳熱的管殼式單相對流換熱器，對比研究管、殼程冷、熱流體交換布置時(shí)的換熱器傳熱性能，將對工程設(shè)計(jì)中管殼式旋流換熱器管、殼程冷、熱流體的選擇具有重要的參考價(jià)值。為此，作者通過管程與殼程均有旋轉(zhuǎn)流動的折流柵-螺旋槽管水-水換熱器，就離心浮力對旋流強(qiáng)化傳熱效果的影響進(jìn)行了管、殼程冷、熱流體交換的對比實(shí)驗(yàn)研究。

　　1.旋流強(qiáng)化傳熱的機(jī)理分析

　　流體的旋轉(zhuǎn)流動使流體質(zhì)點(diǎn)受到離心力的作用。對于管內(nèi)旋流，一方面離心力的作用導(dǎo)致近壁流體流動層流化，使近壁流體的湍流脈動趨于減弱；另一方面離心力與管壁對流體的切向剪切應(yīng)力共同作用形成二次流，又使近壁流體的湍流脈動趨于增強(qiáng)[ 7-9]。離心力與切向剪應(yīng)力共同作用形成二次流的機(jī)理為：流體質(zhì)點(diǎn)的切向流速在主流區(qū)隨徑向距離增大而增大，但受壁面對流體黏性剪切力的影響，近壁流層中流體質(zhì)點(diǎn)的切向流速隨徑向距離增大而降低，從而越靠近壁面的流體質(zhì)點(diǎn)所受離心力越小，而離壁面稍遠(yuǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)因承受較大離心力向壁面方向移動，與此相應(yīng)，緊靠壁面的流體質(zhì)點(diǎn)向離開壁面的方向移動，形成剪應(yīng)力驅(qū)動二次流�？傮w上旋流使近壁流體的湍流混合加強(qiáng)，從而強(qiáng)化管內(nèi)流體與壁面間的對流換熱，加之旋流使流體的流動路徑增加，故而在相同條件下與無旋流動相比，無論流體是被加熱還是被冷卻，旋流總是使換熱得到強(qiáng)化。管內(nèi)流體與壁面之間有熱交換時(shí)，流體徑向溫度梯度引起徑向密度梯度，在離心力場中徑向密度梯度的存在使流體質(zhì)點(diǎn)受到離心或向心浮力的作用，從而可能產(chǎn)生由浮力驅(qū)動的二次流動。如管內(nèi)流體被加熱時(shí)，近壁流體密度小于管子中心區(qū)域流體密度，浮力方向由管軸指向管壁(離心浮力)，與離心力方向相同，此時(shí)離心力與浮力共同作用使管子中心區(qū)域密度相對較大的冷流體質(zhì)點(diǎn)向壁面移動，而近壁流層中密度相對較小的熱流體質(zhì)點(diǎn)則相應(yīng)向離開壁面的方向移動，形成熱驅(qū)動二次流，在剪應(yīng)力驅(qū)動二次流強(qiáng)化換熱的基礎(chǔ)上，熱驅(qū)動二次流使對流換熱得以進(jìn)一步強(qiáng)化。而當(dāng)管內(nèi)流體被冷卻時(shí)，近壁流體密度大于管子中心區(qū)域流體密度，浮力方向由管壁指向管軸(向心浮力)，與離心力方向相反，此時(shí)在離心力作用下密度相對較大的近壁流體質(zhì)點(diǎn)趨向于停留在近壁流層中，從而減弱了管內(nèi)冷熱流體之間的熱交換強(qiáng)度，因而此時(shí)不但不產(chǎn)生熱驅(qū)動二次流，而且向心浮力的存在減弱了剪應(yīng)力驅(qū)動二次流的強(qiáng)度，使旋流強(qiáng)化換熱的效果被減弱。同理，浮力對殼側(cè)旋流強(qiáng)化換熱的影響為：流體被加熱時(shí)起弱化作用，被冷卻時(shí)起進(jìn)一步增強(qiáng)作用。需要指出的是，流體Pr數(shù)越大，浮力對旋流強(qiáng)化傳熱的影響越明顯[3]。

　　如空氣因Pr數(shù)較小而只在壁面熱流密度較高時(shí)才考慮浮力對換熱的影響，而水因Pr較較大在壁面熱流密度較小時(shí)就需考慮浮力對換熱的影響。作者以單相水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，通過折流柵-螺旋槽管換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該換熱器管程與殼程形成旋流的機(jī)理為：在螺旋槽管內(nèi)流體受螺旋槽的引導(dǎo)，靠近壁面的部分流體順槽旋轉(zhuǎn)流動形成非衰減性旋流；在殼側(cè)，每隔150 mm間距旋轉(zhuǎn)60°布置的折流柵主要為對三角形布置的管束起支撐作用，但其同時(shí)也使殼側(cè)流體在軸向流動的同時(shí)伴隨有一定程度的衰減性旋流[ 10-11]。

　　2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　2.1實(shí)驗(yàn)裝置

　　如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有管程水和殼程水兩個(gè)回路。兩路水在各自電加熱水箱內(nèi)加熱到一定溫度后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)行熱交換后返回各自水箱，完成循環(huán)。實(shí)驗(yàn)過程中，管、殼程水流量由精度為0.2級的LWGY-40B/FI型渦輪流量計(jì)測量。在管、殼程的進(jìn)口處安裝精度為A級的Pt100鉑電阻測量進(jìn)口水溫，并采用經(jīng)標(biāo)定的銅-康銅熱電堆測量進(jìn)出口水溫升(降)。熱電堆信號以及鉑電阻、渦輪流量計(jì)等信號分別經(jīng)PCL–818 HG型和PCL-813HG型A/D數(shù)據(jù)采集卡輸入ADVANTECH 610型工業(yè)計(jì)算機(jī)，由數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r(shí)采集各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)管殼程冷熱水吸熱量與放熱量的相對誤差絕對值小于5%時(shí)，認(rèn)為該工況已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并取換熱器換熱量等于管程水吸熱量(或放熱量)。

　　2.2實(shí)驗(yàn)元件

　　實(shí)驗(yàn)元件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

 

        

　　3結(jié)果與討論

　　在相同的管程流速ut和殼程流速us下，管、殼程冷、熱流體交換時(shí)離心浮力對折流柵-螺旋槽管換熱器傳熱性能的影響如圖3所示。

     

　　由圖3可知：熱流體在殼程時(shí)的換熱器總傳熱系數(shù)比熱流體在管程時(shí)相對高出約33%。這是因?yàn)�，流體流過殼程每隔一定間距旋轉(zhuǎn)60°布置的折流柵時(shí)，在折流柵導(dǎo)流作用下殼程流體除縱向流動外還存在一定程度的旋轉(zhuǎn)流動；管內(nèi)近壁流體在螺旋槽管凸肋的導(dǎo)流作用下也存在著一定程度的旋轉(zhuǎn)流動。故當(dāng)熱流體在殼程時(shí)，熱驅(qū)動二次流與剪應(yīng)力驅(qū)動二次流共同作用，使管、殼程旋流的強(qiáng)化換熱效果均得到進(jìn)一步增強(qiáng)；而當(dāng)熱流體在管程時(shí)，管、殼程流體不但不產(chǎn)生熱驅(qū)動二次流，而且向心浮力的存在減弱了剪應(yīng)力驅(qū)動二次流的強(qiáng)度，使管、殼程旋流的強(qiáng)化換熱效果均被弱化。

　　若定義▽k為在相同管、殼程流速下熱流體在殼程時(shí)總傳熱系數(shù)kh,s與熱流體在管程時(shí)總傳熱系數(shù)kh,t之差

　　▽k=kh,s-kh,t(1)

　　則▽k隨管、殼程流速的變化規(guī)律如表2所示。

　　由表2可知，在一定殼程流速下，隨著管程流速提高，▽k變化很小；而在一定管程流速下，隨著殼程流速的提高，▽k逐漸增大。說明在殼程浮力對旋流換熱器傳熱性能的影響更加明顯，這是由于該折流柵-螺旋槽管換熱器殼側(cè)熱阻相對較大[10]所致。

　　因此，當(dāng)熱阻較大一側(cè)有旋流存在時(shí)，浮力對換熱器傳熱性能的影響更為明顯。

　　4.結(jié)論

　　在相同的管、殼程流速下，熱流體在折流柵-螺旋槽管水-水換熱器殼程時(shí)換熱器總傳熱系數(shù)比熱流體在管程時(shí)相對高出約33%。說明當(dāng)換熱器管、殼程流體流動中有旋流存在時(shí)，離心浮力對換熱器傳熱性能的影響不可忽視。而且，當(dāng)熱阻較大一側(cè)有旋流存在時(shí)，離心浮力對換熱器傳熱性能的影響更為明顯。故在管殼式旋流換熱器中若僅出于減小散熱損失的考慮而將熱流體布置在管程，可能會使換熱器傳熱性能或制造成本蒙受更大的損失。這對利用衰減性或非衰減性旋流強(qiáng)化傳熱的其它類型管殼式換熱器亦具有參考價(jià)值。