换热管内置开边槽扭带的阻力及转动特性研究*

詹三江 林清宇 冯振飞 孙瑞娟

（广西大学化学与化工学院)

换热管内置开边槽扭带的阻力及转动特性研究*

詹三江**林清宇 冯振飞 孙瑞娟

（广西大学化学与化工学院)

将18种不同结构参数的铝制扭带分别置入换热管进行实验，研究并分析了换热管内置开三角形边槽扭带的阻力和转动特性。实验结果表明，插入开边槽扭带后管内的流动阻力和转动性能都有较大的提高，扭带的扭转比Y、扭带宽度D和边槽结构是影响压降和转速的主要因素。通过多元线性回归分析，得到了相应的压降Δp关联式和转速n关联式。实验表明，开边槽结构具有强化扭带转动特性的应用价值。

换热管 强化传热 开边槽扭带 压降 转动特性 换热器

0 前言

在制糖、造纸和制盐等的蒸发工艺生产中，其加热过程普遍存在不同程度的结垢现象，而污垢的导热系数还不足碳钢的十分之一，因此污垢的存在必然会严重降低换热的总传热系数，大大削弱传热的效果[1]。我国 “十一五”规划提出了单位GDP能耗和主要污染物排放物总量比 “十五”期末分别降低20%和10%左右的约束性指标[2]。换热管内置扭带就是一种行之有效、适用范围很广的强化传热技术，且扭带的旋转还起到在线除垢和防垢的作用。扭带的加工制造方便，成本低，特别适用于旧设备的翻新改造及新型换热器的设计[3]。

本文在光滑扭带的基础上研究并分析了开三角形边槽的扭带其阻力和转动特性，这种新结构扭带其折起的槽片能将流体的动力更有效地转化为使扭带旋转的力矩，因此在相同的流体流量下，开边槽扭带的转速比光滑扭带的转速更快。

1 实验方法

1.1 实验设备装置及流程简述

实验系统的主要装置如图1所示，其中实验工段的换热管长3 000 mm，管程是Ø42 mm×2.5 mm无缝钢管，管内的介质是自来水。水泵将蓄水槽中的冷流体输进管道，流体在流经调节阀和一段上行管道后，进入管内安装有扭带的下行换热套管，最后经过缓冲管后排出管道。流体流量的大小通过型号为IFM4080K电磁式流量计来测量；试验段的压降由U型管水银压差计测量；扭带的上端贴有反光带，由型号为SZG-441B手持式转速测量仪通过视镜测出扭带的转速。

图1 实验流程

1.2 扭带的结构及参数

实验采用易加工成型、密度小且具有良好的耐腐蚀性的铝片作为扭带的制作材料，扭带的厚度为0.5 mm，长为3 000 mm。鉴于实验室的加工条件限制和为了保证扭带结构的精度，故将每条扭带分3段制作并用连接环将扭带连接起来。开边槽扭带的结构如图2所示，主要参数有槽距H(扭转180°的轴向距离)、扭带宽度D、扭转比Y （Y=H/D）和槽口的角度β，槽口的深度为10 mm。为了有效地对比分析，本文对18种不同规格的扭带分别进行了实验。不同规格扭带的结构参数如表1所示，扭带的编号为D-Y-β （即宽度-扭转比-角度）。

图2 开三角形边槽扭带的结构

表1 不同规格扭带的结构参数

图3 相同扭带宽度下不同扭转比扭带的压降Δp和流速u的关系

2 实验结果分析

2.1 阻力特性分析

换热管内置扭带后，不可避免地使流动阻力增加，对实验数据处理得到压降Δp和流速u的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，实验工段的压降Δp均随着流速u的增大而增大。在相同的D、u情况下，光滑扭带和开60°边槽的扭带的压降Δp均随着扭转比Y的减小而逐渐增大，与空管数据作比较，光滑扭带的压降Δp提高了5.3%～62.2%；开60°边槽的扭带的压降Δp提高了7%～83.1%。在相同的D、Y、u情况下，相对于光滑扭带，开60°边槽的扭带的压降Δp提高了17.18%～68.88%。综合分析可知，扭转比越小，流体在流动过程中被旋转、被切割的次数也就越多，使得流动受阻；而开边槽扭带因为折边的扰流作用，所以压降Δp也相应比光滑扭带大。

由图4可知，在相同的扭转比Y和流速u下，压降Δp随着扭带宽度D的增大而增大，型号22-5.0扭带比型号20-5.0扭带的压降Δp提高了0.3%～11.1%；型号 22-5.0-60°扭带比型号 20-5.0-60°扭带的压降Δp提高了4.5%～12.1%。分析可知，在管壁粗糙度相同的情况下，扭带宽度D越大，流体的流通面积就越小，因此在实验范围内压降就会相应有所增大。

图4 相同扭转比下不同宽度扭带的压降Δp和流速u的关系

通过量纲因次分析，建立换热管内置开边槽扭带后的压降Δp、流速u及扭带结构参数的数学模型：

上式的适用范围：换热管内径di=37 mm，扭带宽度D=20～22 mm，扭转比 Y=5.0～7.0，流体流速 u=0.065～1.304 m/s。

2.2 转动特性分析

对热态实验数据处理得到流速u与转速n的关系，如图5所示。由图5可知，不同结构扭带的转速n均随着流速u的增大而变大，且扭带的起转流速在0.33～0.46 m/s之间。在相同的宽度D和流速u下，开60°边槽扭带的转速n比光滑扭带的转速n提高了16.13%～113.5%。由图6可知，在相同的扭转比Y和槽口角β下，扭带的转速n随着宽度D增大反而降低，型号20-7.0-60°的扭带其转速n比型号22-7.0-60°的扭带提高了25%～90.8%。

图5 相同宽度不同扭转比时转速n和流速u的关系

图6 相同扭转比不同宽度扭带的转速n和流速u的关系

综合上述分析可知： （1）扭带上折起的槽片能将流体的动力更有效地转化为使扭带旋转的力矩，因此在相同的流体流量下，开边槽扭带的转速比光滑扭带的转速更快。 （2）由于扭带在转动的时候会随机地摆动，扭带宽度D越大，其与换热管内壁的接触几率就越大，导致其在管内的摩擦阻力也就越大，从而影响其高速旋转。

通过量纲因次分析，建立换热管内置开边槽扭带后的转速n、流速u及扭带结构参数的数学模型：

上式的适用范围：换热管内径di=37 mm，扭带宽度D=20～22 mm，扭转比Y=5.0～7.0，流体流速 u=0.065～1.304 m/s。

3 结论

（1）实验工段的压力降Δp随着流速u增大而增大。扭带的扭转比Y和扭带宽度D是影响压降Δp的主要因素，D越大，Δp也越大；Y越大，Δp越小。

（2）扭带的转速n随着u增大而增大，扭带的扭转比Y和边槽结构是影响转速n的主要因素。Y越小，n越大，开边槽的扭带的转速比光滑扭带的转速提高16.13%～113.5%。

（3）在实验条件下，通过多元线性回归分析，得到了相应的压降Δp和转速n的关联式，可供工程参考和选用。实验证明，换热管内置开边槽扭带能有效强化扭带的转动性能。

[1]朱冬生，卜穗安，谭盈科.管壳式换热器的防垢、强化传热技术 [J].海湖盐与化工，1993，14(1)：19-30.

[2]张红，杨峻，庄骏.热管节能技术 [M].北京:化学工业出版社，2009.

[3]崔海亭，彭培英.强化传热新技术及其应用 [M].北京:化学工业出版社，2005.

[4]赵海全，林清宇，林榕端，等.换热管内置塑料扭带阻力及转动特性的试验研究 [J].装备制造技术，2008,11:7-9.

[5]易凯，林清宇，林榕端，等.上行换热管内宽型扭带的转动特性实验研究设计 [J].化工科技，2009,17（2）： 10-13.

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[7]Murugesan P,Mayilsamy K,Suresh S，et al.Heat transfer and pressure drop characteristics in a circular tube fitted with and without V-cuttwisted tape insert [J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2011,38:329-334.

Rotational and Resistance Characteristics in a Circular Tube Fitted with Triangular Groove Twisted-tape Insert

Zhan Sanjiang Lin Qingyu Feng Zhenfei Sun Ruijuan

In order to study and analyze the rotational and resistance characteristics in a circular tube fitted with triangular groove twisted-tape insert,this paper took 18 twisted-tapes with different structural parameters setting into the heat transfer tubes and proceeded experiments.The results of experiments showed that the rotational capability of twisted-tape and the pressure drop of heat transfer tubes have grate improve after triangular groove twisted-tape insert.The pressure drop equation and rotation equation were obtained by multiple linear regression analysis.The experiments indicate that the rotational capability of triangular groove twisted-tape is good.

Heat transfer tube;Heat transfer enhancement;Triangular groove twisted-tape;Pressure drop;Rotational capability；Heat exchanger

TQ 051.5

*广西科学基金项目 （桂科青0447005），广西大学基金项目。

**詹三江，男，1987年生，硕士研究生。南宁市，530004。

2011-09-09）