椭圆管换热器壳程传热与压降性能对比研究

吴 私 李春兰 王 森

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司)

符号说明

a——椭圆管长半轴长度，m；

A——换热管表面积，m2；

b——椭圆管短半轴长度，m；

Cp——流体比热，kJ/(kg·K)；

CpD——定性温度下流体的比热，kJ/(kg·K)；

d——管径，m；

de——管程当量直径，m；

De——壳程当量直径，m；

G——流体质量流速，kg/(m2·s) ；

h——膜传热系数，W/(m2·K)；

n——换热管数；

Pr——普朗特常数；

q——流体体积流量，m3/s；

Q——流体热负荷，kJ/s；

r——管壁污垢热阻，K·m2/ W；

rp——管内壁热阻，K·m2/ W；

R——壳体内半径，m；

Re——雷诺数；

S——流通面积，m2；

t1——冷水入口温度，℃；

t2——冷水出口温度，℃；

T1——热水入口温度，℃；

T2——热水出口温度，℃；

TD——流体定性温度，℃，TD=(T1+T2)/2；

u——流体流速，m/s；

W——流体质量流率，kg/s；

Δp——压降，MPa；

ΔTm——对数平均温差，℃；

α——传热系数，W/(m2·K)；

μ——粘度，Pa·s；

λ——导热系数，W/(m·K)；

λD——定性温度下流体的导热系数，W/(m·K)；

下标：

i，o——管内、管外参数。

管壳式换热器在能源化工、冶金、食品及造纸等领域得到广泛应用[1]。随着现代工业技术水平的提高，对设备的换热效率要求也越来越苛刻，强化传热技术在换热器的研究中变得越发重要，但这项技术的实施存在一个几乎难以避免的问题，即传热效率的强化提高是以流动阻力的增加为代价，甚至存在流动阻力的增幅到一定程度，相对提高的传热效率已失去意义的现象，反而带来更大的技术难题或经济损失。如何在强化换热的同时使流动阻力也保持在较低的状态,是目前强化换热技术发展的关键，因此,高效低阻强化换热元件的开发和研究具有重要意义[2]。

改变管壳式换热器的传热管形状和增设折流板是强化设备传热性能的重要手段[3,4]。在管壳式换热设备的传热性能研究过程中，对由圆管组成的换热设备管束研究最多，对强化效果明显的自支撑结构的扭曲扁管式管束的研究也较为深入，而对由圆管过渡到扭曲扁管的中间状态——椭圆管的研究却很少。笔者为了较为深入的研究椭圆管的传热性能，组装了椭圆管式换热设备管束，搭建换热设备传热性能和流阻性能测试平台，对实验中测试数据进行采集，并与圆管组成的弓形折流板换热器和40°螺旋折流板换热器进行了对比。

1 换热器结构形式

本实验中研究3种结构的换热器：弓形折流板换热器、螺旋折流板换热器和椭圆管换热器，3种换热器结构参数见表1。

表1 3种换热器结构参数

3种换热器均为双管程，由40根管排列而成，壳体也相同。不同的是弓形折流板和螺旋折流板换热器的管束均采用圆管，管子的规格为φ25 mm×2.5 mm×3 000 mm，以正方形旋转45°方式排列而成。椭圆管换热器管束采用的是椭圆管，其长轴12.52mm，短轴5.11mm。椭圆管以90°方形节距排列。椭圆管和圆管的材料均为10#无缝钢管。

椭圆管换热器壳程不设置折流板，管束由数个支撑圈固定。由于椭圆管管束均是由规格为φ25 mm×2.5 mm×3 000 mm的圆管压制而成，故椭圆管管束与圆管管束的传热面积相同，区别仅在于管子的横截面形状和尺寸。因此，该实验是在换热器壳体直径和传热面积相同的条件下进行的传热性能和流体阻力的研究。

2 传热实验流程

换热实验装置流程如图1所示。本实验进行的是水-水的换热实验，热水走管程，冷水走壳程。温度计分别设置在换热器壳程和管程的进、出口，分别测量流经壳程和管程的冷热流体温度。压力表分别安装在换热器壳体的进、出口处，用于测量壳程进出、口间的压降。用泵为两种流体介质提供输送动力。实验平台中设有转子流量计，流量大小由阀门控制。使用电加热器将水加热到实验温度，启动保温状态，利用毛毡保温，使热水温度在一定时间内基本不变。观察温度计示数，待温度稳定后，启动热水泵，将管程流体进口流量调节到实验预期值，保持管程流体介质处于湍流状态。

图1 传热实验装置流程

管程介质热水流量值定为6m3/h，实验过程中应随时检查保证其流量保持不变。启动冷水泵调节壳程冷水流量从小到大进行测量，测量范围2～11m3/h。实验主要测量阻力性能和传热性能。测量换热器壳程进出、口间的压力时，应待压力表示数稳定后再读数，实验进行3次，取平均值。测量流经壳程和管程的冷热流体的进、出口温度时，每次改变壳程冷水流量后，要让换热器运行数分钟，待温度稳定后再读取温度数据，同样测量3次取平均值，判断冷热流体的换热量，热平衡误差不能超过±10%，即冷热流体换热量应接近，从而保持较高的换热效率。

3 传热性能测试

3.1传热计算

在换热器传热计算中，一般以热流体的热负荷作为总热负荷值。

3.1.1以圆管为换热管的传热计算

总热负荷：

Qh=Wh·Cph·(T1-T2)

总传热系数：

本实验均为新设备，所以ri=ro=0。

根据换热管材料及规格查设计手册可得到管内壁热阻rp，所以：

传热基本关系式：

Q=K·Ao·ΔTm

有效平均温差：

管内膜传热系数hi(Re>104)计算公式为：

hi=0.023Re0.8Pr1/3

普朗特常数：

查定性温度下的流体物性数据：Cp，μ，λ值，可计算出hi值。将K、hi、rp、Ao、Ai代入：

可计算ho，即为壳程传热系数。

3.1.2以椭圆管为换热管的传热计算

椭圆管内径、外径均按其当量直径计算，其换热流体Re的具体修正如下[5]：

管程：

壳程：

按3.1.1节的步骤计算椭圆管管外膜传热系数ho，即为壳程传热系数。

3.2传热测试数据与计算结果

实验中主要测试换热器管程进、出口温度、管程流体流量、壳程进、出口温度、壳程流体流量和壳程压力降。通过数据处理与计算，得出3种换热器在水-水换热实验中壳程传热系数、压降随壳程流量变化曲线如图2、3所示。

图3 3种结构换热器壳程压降随壳程介质流量变化曲线

3.3换热器壳程性能分析

3.3.1传热性能与压力降

由图2、3可以看出，3种结构换热器的壳程传热系数α与壳程压降Δp均随着壳程流量的增大而增大，这种相同的变化趋势是因为随着壳程流量的增大，提高了壳程流体介质的湍流程度，使流体与管束及折流板的扰动得以增强，从而强化了传热效果，同时带来壳程内流体压降也有所增大。

本实验中椭圆管是由圆管压制而成，故相比圆管横截面积更小，所占空间也更少。在换热面积和壳体直径相同的条件下，椭圆管换热器壳程的流通面积和当量直径更大。因此，在壳程流量相同时，椭圆管换热器壳程内的流速相比于另外两种换热器更小，而且没有折流板，没有对壳程流体的折流增速作用，这样有利于降低压降，减小流动阻力和动力消耗，有利于提高运行经济效益，但不利于传热。可见，增大换热器壳程介质流量或减小壳程直径和流通面积，均可显著提高椭圆管换热器壳程的传热系数。

比较3种结构的换热器，在相同实验条件下，椭圆管换热器壳程的传热系数较换热性能相对低的弓形折流板换热器降低了10%左右；椭圆管换热器壳程压降较压降相对低的螺旋折流板换热器降低了32%左右。

3.3.2综合性能分析

换热器的传热系数及管/壳程压降等参数都是从能量利用的单一角度来衡量换热器的性能，局限性大，不能全面评价一个换热设备的综合性能。采用流动阻力损失与传热量相结合的传热性能评价方法[6]，即单位压降下的传热系数α/Δp更为合理。图4是3种结构换热器α/Δp在不同壳程体积流量下的变化趋势。

图4 3种结构换热器壳程综合性能指标α/Δp随壳程介质流量变化曲线

由图4可以看出：椭圆管壳程的α/Δp较螺旋折流板换热器提高28%以上。在换热综合性能方面，椭圆管优于圆管，并且由于没有折流板和运行操作中振动对换热管的伤害，所以其制造与运行的经济成本也相对较低。

4 结论

4.1换热性能优劣次序为：螺旋折流板换热器>弓形折流板换热器>椭圆管式换热器。

4.2壳程压降由高到低次序为：弓形折流板换热器>螺旋折流板换热器>椭圆管式换热器。

4.3综合性能优劣次序为：椭圆管式换热器>螺旋折流板换热器>弓形折流板换热器。

[1] 秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2] 矫明，徐宏，程泉.新型高效换热器发展现状及研究方向[J].化工装备技术，2007，28(6)： 41～46.

[3] 钱颂文，岑汉钊，江楠，等. 换热器管束流体力学与传热[M].北京：中国石化出版社，2002.

[4] 肖洪.椭圆管与扁管管板式换热器换热性能的分析比较[J].节能技术，2006，24(3)：265～267.

[5] 张杏祥，魏国红，桑芝富. 螺旋扭曲扁管换热器传热与流阻性能试验研究[J].化学工程，2007，35(2)：17～20.

[6] 陆煜，程琳. 传热原理与分析[M]. 北京：科学出版社，1997.