波纹管传热性能与污垢特性实验

徐建民，曾 凯，李智勇，王俊冕，刘 康

武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205

0 引 言

波纹管是一种性能较优的强化传热原件，由波纹管这类换热单元所构成的换热设备系统在炼油、化工、轻工、油田输油加热、城市的集中供暖等领域中都得到了大量的采用[1]，不论是管程还是壳程，都表现出较优的传热强化作用，传热效果突出，体积小重量轻，加工简单成本低廉[2]，因此目前波纹管在换热器上的应用最为普遍，结合波纹管传热及其污垢特性在以往实验中的研究成果，在此基础上，利用对比实验的方法，分别采用清洁的自来水和人工配制的硬水作为工作介质，对波纹管和光管的传热特性和抗垢性能进行了分析比对.

1 实验系统及原理

1.1 试验装置及材料

表1 实验管段参数Table 1 Experimental parameters of the pipe section

图1 波纹管局部剖面示意图Fig.1 Partial cross-sectional schematic view of a bellows

1.2 实验系统

实验系统如图2所示，设备所模拟的换热器由两根管组成，一根为实验所要用的波纹管，另一根为参照对象的当量直径光管，管内流动的是实验配置好的流体，管外维持恒温水浴，水温由温控仪控制以维持水浴温度恒定，循环水由高位水箱流经实验管段时换热，随后流入低位水箱，两个实验管段都配置了3个壁温测点，1个入口和1个出口温度测点，3个用来测量水浴温度的测点，2个用来测量压力降的压差测点，2个流量测点，所有测量得到的数据信号经由电缆导入数据采集器然后再送入计算机进行后期处理[3].

图2 实验系统图Fig.2 Experimental system

1.3 实验原理

由牛顿冷却公式[4]，单位时间内管壁传给流体的热流量Ф为

Φ=απdαLΔt

(1)

式(1)中Δt=tw-tf.

管内壁内表面的温度tw由3个壁温测点得到

(2)

因为不锈钢导热热阻很低，这里忽略不计，故管内外壁面温度可近似看成一致，而流体的温度tf由流体进口温度tfi和出口温度tfo得到

(3)

由热平衡方程，热流量

(4)

式(4)中，ρ为工质的密度，cp为定压比热，u为流速，这里流速可由体积流量求得

(5)

将式(4)带入式(1)，求得管内对流换热系数

(6)

污垢热阻定义式[5]为

(7)

式(7)中k0和k分别为清洁状态下和结垢状态下的传热系数，而总传热系数

(8)

将式(4)带入式(8)得到

(9)

这其中，对数平均温度

(10)

式(10)中，tsy为水浴温度.

2 实验结果

2.1 流动阻力系数比较

流动阻力系数作为一项重要的参数指标可以用来衡量换热元件的性能优劣，在实验前，我们先对实验所用的波纹管流动阻力做了测试，由实验数据得到在两管内流体流动阻力系数随Re数变化关系曲线如图3所示.通过图3很容易看出，光管的流动阻力系数明显小于波纹管，随着Re数的增大，波纹管的流动阻力系数在显著减小，而光管几乎不随Re数的增大产生变化，在实验条件下，波纹管的流动阻力系数大约是光管的6.6倍，分析认为这是因为随着Re数的增大，波纹管周期性的缩放结构使流体在缩放结合处产生了较大的回流漩涡，使得局部流体阻力增大.

图3 流动阻力系数变化图Fig.3 Change in flow resistance coefficient注：

2.2 传热特性

由实验所测得的数据，可以算出α、Nu值，进而可以得到努赛尔数Nu与Re的关系曲线[6]如图4所示，由图中不难看出，不论是波纹管还是光管的传热系数都随Re数的增大而增大，但随着Re数增大，两者换热能力的差距逐步缩小，在Re数比较低(Re≈10 000)时，波纹管的传热系数比光管提升了约41%，当Re数比较大(Re≈25 000)时，波纹管与光管的传热系数就已经比较接近，在Re数较低时，波纹管周期性的收缩段起到了加速流体的作用，传热得到强化，但是随着流体Re的变大，其自身的扰动能力增强，能够有效地破坏流动边界层，换热表面对流体的黏性作用减弱，使传热能力增强，同时削弱了致垢粒子的沉积速度[7].

图4 波纹管与光管传热特性比较Fig.4 The result of heat transfer performance between the corrugate tube and the plain tube注：

2.3 污垢特性比较

为了比较波纹管和光管的抗垢性能，实验前先配置好模拟人工硬水用作循环工质，硬度设定为800 mg/L，CaCl2和Na2CO3依据反应所需按摩尔比1∶2配制而成，在实验过程中，计算机间隔时间自动采集并分析各测点的温度、流量数据.由实验可以得到波纹管与光管的污垢热阻值随时间的变化曲线如图5所示.由图可以看出，波纹管的渐进污垢热阻值约为光管的0.9倍，而二者的诱导期却相差不大，大约都为30 h,达到渐进值的时间也都约等于70 h.总体来说波纹管的阻垢性能较光管占优，但是效果并不明显.

图5 光管与波纹管污垢特性Fig.5 The plain tube and the bellow fouling characteristics注：

2.4 结垢前后的传热性能比较

由于污垢热阻的影响，光管与波纹管在结垢前后都会表现出传热性能的变化，为了直观地比较这一点，将实验时间控制在20 min左右，在加药之前与实验结束之前，每分钟分别进行一次测量，结果如图6所示，结垢之前的强化比(波纹管管内对流换热NuC与光管管内对流换热NuP之比)大约为1∶3，结垢之后为1∶7，这说明随着结垢的萌生和发展，两者在传热性能上的差别也越来越大，因此波纹管在强化传热这一方面具有突出的功能.

图6 结垢前后强化比Fig.6 Fouling ratio before and after the strengthening注：

3 结 语

a.在清洁状态下，波纹管对光管的传热强化比约为1∶3，表明波纹管在传热性能上具有优势；在污垢状态下，其传热强化比约为1∶7，这说明波纹管相对于光管更适合在脏污环境下使用.

b.在流体介质与硬度相同的情况下，波纹管的渐进污垢热阻值大约为光管的0.9倍，这表明波纹管在阻垢性能方面有优势.

致 谢

本文得到武汉工程大学机电工程学院过程装备与腐蚀防护实验室全体人员的帮助和支持,在此表示衷心的感谢.

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