小方槽内构件管式换热器传热性能强化研究

任国瑜 任旭 李健 亢玉红 高勇 李霄

摘      要： 实验研究了安装有小方槽内构件的管式换热器传热性能，结果表明：管内插入小方槽扰流内构件时，换热器传热性能随Re和内构件组数N的增加而增大;当N=7时，小方槽内构件换热器Nu增加不明显。在实验研究范围内，小方槽内构件换热器Nu分别是空管换热器的1.51～2.55倍。Re在1.9×104时，小方槽内构件组数N为6时，换热器综合性能评价因子η达到最大1.60，说明小方槽内构件换热器综合强化传热性能较好。这可能与小方槽内构件的空间效应有关。因此，小方槽结构可引入插入物内构件结构的设计中，从而强化换热器的传热性能。

关  键  词：管式换热器;小方槽内构件;传热性能强化;综合性能评价因子η

中图分类号：TQ021.3       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）09-2087-04

Abstract： Heat transfer characteristics of the tube heat exchangers （THE） with small slot inserts were studied. Experimental results showed that Nu of the heat exchanger with small slot inserts increased with the increase of Re and N. When N=7， Nu of heat exchanger with small slot inserts did not increase significantly. Within the range of experimental data， the Nu of the heat exchanger with small slot inserts was 1.51～2.55 times that of the plain tube heat exchanger. Re =1.9 ×104， the optimal group number was 6，the comprehensive performance evaluation factors η of the heat exchanger with small slot inserts was 1.60， indicating that the heat exchanger with small slot inserts had the heat transfer performance better， which may be related to the spatial effect of the small slot. Therefore， the small slot structure may be introduced into the design of insert structure， so as to enhance the heat transfer performance of heat exchanger.

Key words： Tube heat exchanger;Small slot inserts; Heat transfer enhancement; Comprehensive performance evaluation factor η

在化工企业的设备中，换热设备几乎占了三分之一，其中应用最广泛的换热器是管式换热器[1，2]。因此，强化管式换热器传热性能对技术改进和节能减排具有重要的意义。关于在换热器换热管内加入插入物以提高管式换热器传热性能的研究较多，它的最大优点为适合对旧换热器进行改造，并且加工方便，从而大大节省投资提高传热性能。尤其是插入物有助于清除管内污垢降低污垢热阻。同时，插入物增强了管内流体的对流传热系数，这是其他强化换热技术所无法比拟的优点[3，4]。目前，管内插入物的类型有很多，常用的插入物结构有扁铁[5]、环片条、静态混合器等[6]、圆锥环状[7]、百叶窗式条状内构件[8]、螺旋线[9]、半扭带和扭带[10]等多种形式。这些内构件可以归纳为两类[11]：连续型内构件如扭带、绕花丝螺旋线等和不连续型内构件如静态混合器、扁铁等。对于连续型内构件换热器的压降较大。吴爽等[12]研究了多种管内自旋弹簧内构件的阻力特性和自旋弹簧内构件换热器的传热性能，自旋弹簧内构件换热器的传热系数是空管换热器的1.03～1.43倍，阻力系数是空管换热器的2.52～5.46倍。在工业上应用上，国内一些石化企业如青岛石化的常减压设备使用管内插入扭带扰流子插入物强化传热，管内传热系数可提高2～3倍，但是对管壁有一定程度的磨损[13，14]。杨品莲等[5]在高温换热器中插入麻花铁、扁铁内构件，麻花铁内构件换热器传热系数是空管换热器的1.62～1.8倍;扁钢内构件换热器Nu增加了20%～30%。

在前期研究中，本人设计了小叉内构件、平板内构件以及45°平板内构件管式换热器，对内构件换热器的压降性能进行研究[15]，这些内构件通过中央固定桿固定在管内，内构件的外侧靠近壁面但是不接触壁面，这样既可以起到扰动的效果减薄边界层厚度，又可避免额外增加换热面产生新的热边界层。同时，起到清除污垢的作用。这些类型的内构件都属于不连续型扰流内构件，在一定范围内换热器的压降增加不显著。综合以上几方面因素，本人前期[9]对小叉内构件、平板内构件以及45°平板内构件管式换热器有效强化管式换热器总传热系数K。研究发现45°平板内构件换热器传热性能较好，结合45°平板结构，本人又设计了小方槽内构件。本文对小方槽内构件管式换热器的传热性能进行了研究。

1  实验流程与内构件结构

1.1  实验流程

实验流程与文献[15]相同，空气经风机送入，通过空气流量计计量后进入换热器内管，装有冷空气的内管与环隙中热的水蒸气进行换热，由于管内走冷空气，环隙走热的水蒸气，冷空气的对流传热系数远小于水蒸气的对流传热系数，故内构件安装在管内可有效的提高换热器的传热性能。换热详细流程不再赘述。

1.2  扰流内构件的结构及安装

本文研究的内构件结构材质为铜板，小方槽内构件结构及安装如图1所示。

小方槽通过螺纹杆固定在内管中央，如图1所示。实验中，第一组扰流内构件安装在螺纹杆底端距入口测温点13 cm处;然后组于组之间均布在螺纹杆上。小方槽的尺寸如下：小方槽的总长度14.5 mm;固定端的内外分别为4.5和8 mm，远离固定端处的长、宽、高均为6 mm;内构件厚度为0.7 mm。

2  实验结果与讨论

实验中改变空气流速，测量管内插入不同组数（N）小方槽内构件换热器的进出口压降和温度，得出小方槽内构件管式换热器压降Δp和努塞尔准数Nu随雷诺数Re的变化规律。

2.1  不同结构内构件对换热器传热和压降的影响

文献[16]中介绍了平板内构件和45°平板内构件管式换热器的传热性能和压降，文献[14]介绍了小叉内构件换热器的压降特性，三种类型内构件的长度是相同的，结构不同。本文对小叉、45°平板和小方槽内构件换热器的压降和传热进行对比。

由图2和图3可以看出，三种结构小叉、45°平板和小方槽内构件，小方槽内构件换热器的压降较大，但是传热效果是最好的。次之是45°平板内构件换热器，小叉内构件换热器传热性能最差。故本文对小方槽内构件管式换热器的传热性能强化进行研究。

2.2  不同组数小方槽内构件对换热器传热性能的影响

文献[15]中的图6介绍了小方槽内构件换热器的压降特性，小方槽内构件换热器的压降随组数的增加而继续增加，当组数增加到7组，流速达到12 m/s（Re≈2.3×104），換热器的压降达到750 Pa，但未对小方槽内构件换热器的传热性能进行研究。因此，本文对不同组数小方槽内构件换热器的传热性能进行研究。

图4和图5分别是小方槽内构件换热器的努塞尔准数Nu随雷诺数Re和内构件组数N的变化规律。

由图4可以看出，随着Re和组数的增加，小方槽内构件换热器的传热性能也在增加，当组数N增加到7组时，Nu增加缓慢。由图5可以看出，选择中高低三个Re，随着组数N的增加，换热器Nu增加。当组数N增加到7时，三个雷诺数下，换热器Nu几乎不再增加，因此，小方槽内构件换热器的最佳组数N为6组。

2.3  综合评价因子η与N的关系

参照文献[16]知：

式中（1）中， Nu0、 f0分别为空管换热器的努塞尔数和流体流动摩擦阻力系数。本文中f/f0 ≈p/p0[17]，在 Re =1.9×104 下，本文对小方槽内构件管式换热器强化传热的综合性能评价因子η与组数N的变化进行作图。

由图6可知，在Re=1.9×104下，小方槽换热器综合性能评价因子η均大于1，即小方槽换热器可强化换热器的综合传热性能。当组数N为6组时小方槽内构件换热器综合评价因子η最大达到1.61。所以，小方槽内构件换热器的最佳组数是6组。由文献[8]知，在相同雷诺数下，小方槽内构件换热器的综合性能评价因子大于45°平板内构件换热器，故小方槽内构件换热器的强化传热效果优于45°平板内构件换热器，这可能是由于小方槽内构件的自由端的空间效应优于45°平板内构件，小方槽内构件的自由端突出的更显著，自由端的长宽高分别为6 mm。

3  结 论

（1）小方槽内构件管式换热器传热性能优于45°平板和小叉内构件管式换热器，小方槽内构件换热器Nu是空管换热器的1.51～2.55倍。

（2）小方槽内构件管式换热器的传热性能随Re和组数N的增加而增加，当组数增加到7组，小方槽内构件管式换热器Nu几乎不增加。

（3）在Re为1.9×104下，小方槽组数N为6组时，换热器的综合评价因子η达到最大1.61，即此时小方槽内构件换热器的最佳组数N为6组。

符号说明：

Nu 努塞尔准数

Re 雷诺准数

K 总传热系数，W?m-2?℃-1

N 内构件组数

n 每组内内构件个数

Δp 换热器进出口压降，Pa

η 换热器综合评价因子

THE Tube heat exchanger

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