离心浮力对折流栅-螺旋槽管换热器传热性能的影响

来源：发布时间：2014-07-28 11:40:48点击率：

由流体径向温度梯度引起的离心浮力对旋流强化传热效果有重要影响。通过管程与壳程均有旋转流动的折流栅-螺旋槽管水-水换热器，就离心浮力对旋流强化传热效果的影响进行了管、壳程冷、热流体交换的对比实验研究。结果表明：在相同的管、壳程流速下热流体在壳程时换热器总传热系数比热流体在管程时相对高出约33%。故在有旋流存在的管壳式换热器中，离心浮力对换热器传热性能的影响不可忽视。当热阻较大一侧有旋流存在时，离心浮力对换热器传热性能的影响更为明显。

    关键词：管壳式换热器；强化传热；旋流；离心浮力；螺旋槽管；折流栅

    中图分类号：TK 264.1文献标识码：A文章编号：1000–6613（2008）04–0573–04

    旋流被广泛用于管壳式换热器的强化传热中。在管内加装螺旋片、螺旋线圈、扭带等，对换热管进行特殊加工如螺旋槽管、螺旋扁管、螺旋肋片管等，壳侧支撑采用螺旋折流板、按一定间距旋转布置的折流栅等均可在管侧或壳侧形成旋流。研究表明[1－6]，由流体径向温度梯度引起的离心浮力对管内旋流强化传热效果有着重要影响，表现为管内流体被加热时旋流对传热强化的贡献大于管内流体被冷却时。因而，对于利用旋流强化传热的管壳式单相对流换热器，对比研究管、壳程冷、热流体交换布置时的换热器传热性能，将对工程设计中管壳式旋流换热器管、壳程冷、热流体的选择具有重要的参考价值。为此，作者通过管程与壳程均有旋转流动的折流栅-螺旋槽管水-水换热器，就离心浮力对旋流强化传热效果的影响进行了管、壳程冷、热流体交换的对比实验研究。

    1.旋流强化传热的机理分析

    流体的旋转流动使流体质点受到离心力的作用。对于管内旋流，一方面离心力的作用导致近壁流体流动层流化，使近壁流体的湍流脉动趋于减弱；另一方面离心力与管壁对流体的切向剪切应力共同作用形成二次流，又使近壁流体的湍流脉动趋于增强[ 7－9]。离心力与切向剪应力共同作用形成二次流的机理为：流体质点的切向流速在主流区随径向距离增大而增大，但受壁面对流体黏性剪切力的影响，近壁流层中流体质点的切向流速随径向距离增大而降低，从而越靠近壁面的流体质点所受离心力越小，而离壁面稍远的流体质点因承受较大离心力向壁面方向移动，与此相应，紧靠壁面的流体质点向离开壁面的方向移动，形成剪应力驱动二次流。总体上旋流使近壁流体的湍流混合加强，从而强化管内流体与壁面间的对流换热，加之旋流使流体的流动路径增加，故而在相同条件下与无旋流动相比，无论流体是被加热还是被冷却，旋流总是使换热得到强化。管内流体与壁面之间有热交换时，流体径向温度梯度引起径向密度梯度，在离心力场中径向密度梯度的存在使流体质点受到离心或向心浮力的作用，从而可能产生由浮力驱动的二次流动。如管内流体被加热时，近壁流体密度小于管子中心区域流体密度，浮力方向由管轴指向管壁（离心浮力），与离心力方向相同，此时离心力与浮力共同作用使管子中心区域密度相对较大的冷流体质点向壁面移动，而近壁流层中密度相对较小的热流体质点则相应向离开壁面的方向移动，形成热驱动二次流，在剪应力驱动二次流强化换热的基础上，热驱动二次流使对流换热得以进一步强化。而当管内流体被冷却时，近壁流体密度大于管子中心区域流体密度，浮力方向由管壁指向管轴（向心浮力），与离心力方向相反，此时在离心力作用下密度相对较大的近壁流体质点趋向于停留在近壁流层中，从而减弱了管内冷热流体之间的热交换强度，因而此时不但不产生热驱动二次流，而且向心浮力的存在减弱了剪应力驱动二次流的强度，使旋流强化换热的效果被减弱。同理，浮力对壳侧旋流强化换热的影响为：流体被加热时起弱化作用，被冷却时起进一步增强作用。需要指出的是，流体Pr数越大，浮力对旋流强化传热的影响越明显[3]。

    如空气因Pr数较小而只在壁面热流密度较高时才考虑浮力对换热的影响，而水因Pr较较大在壁面热流密度较小时就需考虑浮力对换热的影响。作者以单相水为实验工质，通过折流栅-螺旋槽管换热器进行实验。该换热器管程与壳程形成旋流的机理为：在螺旋槽管内流体受螺旋槽的引导，靠近壁面的部分流体顺槽旋转流动形成非衰减性旋流；在壳侧，每隔150 mm间距旋转60° 布置的折流栅主要为对三角形布置的管束起支撑作用，但其同时也使壳侧流体在轴向流动的同时伴随有一定程度的衰减性旋流[ 10－11]。

    2 实验系统

    2.1实验装置

    如图1所示，实验系统有管程水和壳程水两个回路。两路水在各自电加热水箱内加热到一定温度后进入实验段，进行热交换后返回各自水箱，完成循环。实验过程中，管、壳程水流量由精度为0.2 级的LWGY-40B/FI型涡轮流量计测量。在管、壳程的进口处安装精度为A级的Pt100铂电阻测量进口水温，并采用经标定的铜-康铜热电堆测量进出口水温升（降）。热电堆信号以及铂电阻、涡轮流量计等信号分别经PCL–818 HG型和PCL-813HG型A/D 数据采集卡输入ADVANTECH 610型工业计算机，由数据采集程序实时采集各项实验数据。当管壳程冷热水吸热量与放热量的相对误差值小于5% 时，认为该工况已进入稳定状态，并取换热器换热量等于管程水吸热量（或放热量）。



    2.2实验元件

    实验元件结构如图2所示，主要结构参数见表1。





    3 结果与讨论

    在相同的管程流速ut和壳程流下，管、壳程冷、热流体交换时离心浮力对折流栅-螺旋槽管换热器传热性能的影响如图3所示。



    由图3可知：热流体在壳程时的换热器总传热系数比热流体在管程时相对高出约33%。这是因为，流体流过壳程每隔一定间距旋转60°布置的折流栅时，在折流栅导流作用下壳程流体除纵向流动外还存在一定程度的旋转流动；管内近壁流体在螺旋槽管凸肋的导流作用下也存在着一定程度的旋转流动。故当热流体在壳程时，热驱动二次流与剪应力驱动二次流共同作用，使管、壳程旋流的强化换热效果均得到进一步增强；而当热流体在管程时，管、壳程流体不但不产生热驱动二次流，而且向心浮力的存在减弱了剪应力驱动二次流的强度，使管、壳程旋流的强化换热效果均被弱化。

    若定义▽k为在相同管、壳程流速下热流体在壳程时总传热系数kh,s与热流体在管程时总传热系数kh,t之差

    ▽k=kh,s－kh,t（1）

    则▽k随管、壳程流速的变化规律如表2所示。

    由表2可知，在一定壳程流速下，随着管程流速提高，▽k变化很小；而在一定管程流速下，随着壳程流速的提高，▽k逐渐增大。说明在壳程浮力对旋流换热器传热性能的影响更加明显，这是由于该折流栅-螺旋槽管换热器壳侧热阻相对较大 [10]所致。

    因此，当热阻较大一侧有旋流存在时，浮力对换热器传热性能的影响更为明显。

    4.结论

    在相同的管、壳程流速下，热流体在折流栅- 螺旋槽管水-水换热器壳程时换热器总传热系数比热流体在管程时相对高出约33%。说明当换热器管、壳程流体流动中有旋流存在时，离心浮力对换热器传热性能的影响不可忽视。而且，当热阻较大一侧有旋流存在时，离心浮力对换热器传热性能的影响更为明显。故在管壳式旋流换热器中若仅出于减小散热损失的考虑而将热流体布置在管程，可能会使换热器传热性能或制造成本蒙受更大的损失。这对利用衰减性或非衰减性旋流强化传热的其它类型管壳式换热器亦具有参考价值。

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