管內(nèi)外流對(duì)換熱器熱效應(yīng)的影響

管內(nèi)外流對(duì)換熱器熱效應(yīng)的影響

2001年下半年，河北省某公司引進(jìn)了一種薄厚矩形波紋管專業(yè)技術(shù)（也稱為波節(jié)管），將波節(jié)管用作rv-04垂直p型換熱器、hv半體積型換熱器和u型列管快速換熱器，并將其開(kāi)發(fā)成新一代換熱產(chǎn)品。對(duì)其進(jìn)行了正式的熱強(qiáng)度測(cè)試。下面就波節(jié)管換熱器提高熱效的原理,熱工性能測(cè)試結(jié)果及其與同型光面U型管、浮動(dòng)盤(pán)管換熱器的性能對(duì)比等作一簡(jiǎn)介。1流股壓力的特性采用波節(jié)管等異形斷面管可以作為提高傳熱系數(shù)的有效措施在傳熱學(xué)等教科書(shū)中早有專門(mén)介紹。這次引進(jìn)的“波節(jié)管”專利中波節(jié)管的形狀是東北大學(xué)郎逵教授、榮秀惠高工在大量的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上優(yōu)化篩選出來(lái)的,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在圖1所示的流道里,流體在管內(nèi)的流動(dòng)具有以下特點(diǎn):(1)通過(guò)有規(guī)律的周期性斷面變化,使管內(nèi)流體總是處在規(guī)律性擾動(dòng)狀態(tài),形成不了與軸線平行的流股,使管內(nèi)流體的溫度、密度、雜質(zhì)含量沿徑向是均勻的;(2)弧形段(L2)內(nèi)由于前后具有“引射效應(yīng)”與“節(jié)流效應(yīng)”,使弧的全部?jī)?nèi)表面都受流體的沖刷;(3)直線段(L1)的幾何尺寸,保證L1/D1<2,這種條件下邊界層無(wú)法形成,其局部換熱系數(shù)較直管高出3倍以上?；谏鲜鎏攸c(diǎn),“一種高效換熱器”與“一種緊湊式換熱器”具有以下基本特點(diǎn):(1)管內(nèi)流體的溫度、密度、雜質(zhì)含量沿徑向呈均勻性,因此排除了結(jié)垢和堵塞的可能性;(2)由于沖刷良好,L1與L2均形成不了邊界層,并且還沖刷了污垢層,使管內(nèi)換熱系數(shù)提高2～3倍;(3)由于r1與r2曲率,排除了軸向與徑向應(yīng)力的集中,并在很大范圍內(nèi)改變了自身的固有頻率;(4)由于流動(dòng)中改變形狀不需高的流速,故流阻并不大。郎教授對(duì)上述關(guān)于流體在波節(jié)管中流動(dòng)的特征及因此而提高傳熱系數(shù)的原理等闡述得很完整。此外,管外的流體流經(jīng)波節(jié)管外壁時(shí),不僅增大了接觸面(即增大了換熱面積)而且由于整個(gè)換熱管束間斷面的凸凹變化使流體形成紊流,亦可增大換熱管外壁向流體的放熱系數(shù)。以波節(jié)管為換熱元件的換熱器將具有傳熱系數(shù)高,不易結(jié)垢、節(jié)能、體積小、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)。2等系列產(chǎn)品的研制用于制備生活熱水的RV系列產(chǎn)品包括RV-02立式容積式換熱器、RV-03、04導(dǎo)流型臥、立式容積式換熱器、HRV-01、02臥、立式半容積換熱器、DFHRV立式浮動(dòng)盤(pán)管換熱器等系列產(chǎn)品,均是我院自1989年以來(lái)研究設(shè)計(jì)的。10多年來(lái),這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)眾多工程項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。其中有四個(gè)系列產(chǎn)品已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集。我們這次應(yīng)用波節(jié)管先后改進(jìn)了RV-04導(dǎo)流型立式容積式換熱器、HRV-01、02臥、立式半容積式換熱器及U型列管式快速換熱器,并新研制了BQH波節(jié)管采暖用快速換熱器和BQC波節(jié)管空調(diào)用快速換熱器。為了進(jìn)一步提高傳熱系數(shù)K值,我們將波節(jié)管的材質(zhì)由薄壁不銹鋼改為薄壁銅管,因紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)是不銹鋼的21倍,對(duì)進(jìn)一步提高傳熱系數(shù)有一定作用。2.1波節(jié)管傳熱性能測(cè)試采用波節(jié)管作為換熱元件,取代“RV-04”中的光面U型管,開(kāi)發(fā)出DBRV-04大波節(jié)管導(dǎo)流型立式容積式換熱器(以下簡(jiǎn)稱“DBRV-04”)。為測(cè)試波節(jié)管的傳熱性能和效果,于2001年11月試制了1臺(tái)未經(jīng)任何改動(dòng)的V=3m3的“DBRV-04”設(shè)備,分別進(jìn)行“汽-水”與“水-水”換熱的熱工測(cè)試。在自測(cè)取得滿意結(jié)果的基礎(chǔ)上,請(qǐng)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局鍋爐壓力容器檢測(cè)研究中心(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)試中心”)復(fù)測(cè),并以其結(jié)果作為系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)依據(jù)?！癉BRV-04”試驗(yàn)罐的熱工性能測(cè)試數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。2.2dbhnv-0、32臥立式半容積式換熱器dbrtv“DBRV-04”試驗(yàn)罐的熱工測(cè)試數(shù)據(jù)表明:以波節(jié)管為換熱元件的“DBRV-04”的換熱性能比以光面U型管為換熱元件的“RV-04”有顯著的提高。據(jù)此,2002年初對(duì)HRV系列半容積式換熱器進(jìn)行改進(jìn)。開(kāi)發(fā)出DBHRV-01、02臥立式半容積式換熱器(以下簡(jiǎn)稱“DBHRV”)。“DBHRV”在原“HRV”產(chǎn)品的基礎(chǔ)上作了如下改進(jìn):①用波節(jié)U型管代替光面U型管,并根據(jù)波節(jié)管的特點(diǎn)對(duì)U型管的排列作了較大的調(diào)整;②結(jié)合波節(jié)管的布置重新組織被加熱水的流程,使其能與換熱管外壁更充分接觸,并起到一定的紊流換熱的作用;③使熱媒與被加熱水在換熱器中形成完整的逆流換熱,借以進(jìn)一步提高其換熱效果;④經(jīng)加熱后的水從換熱部分頂部管道引至貯熱罐體的底部,從而保證“DBHRV”從下到上均是同溫?zé)崴?真正做到了容積利用率為100%。2002年3月對(duì)“DBHRV”試驗(yàn)罐進(jìn)行了熱工性能的自測(cè)與“測(cè)試中心”的復(fù)測(cè)。其熱工性能測(cè)試數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表2。2.3快速換熱器銅制波節(jié)管DN100～200U型列管式快速換熱器是一種兩端為固定管板、殼體中有一膨脹節(jié)、換熱管密布的傳統(tǒng)產(chǎn)品。這次將其以銅制波節(jié)管取代原光面管,并省去了殼體上的膨脹節(jié)。新產(chǎn)品定名為大波節(jié)管U型列管式快速換熱器。2002年11月對(duì)其試制產(chǎn)品進(jìn)行了熱工性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表3。2.4浮動(dòng)盤(pán)管換熱器的熱性能對(duì)比研制大波節(jié)管BQH采暖用快速換熱器(以下簡(jiǎn)稱“BQH”)與大波節(jié)管BQC空調(diào)用快速換熱器(以下簡(jiǎn)稱“BQC”),一是為了彌補(bǔ)上述DN100～200U型列管式快速換熱器不便維修的缺陷,二是為了對(duì)比近年來(lái)推廣應(yīng)用最熱的浮動(dòng)盤(pán)管換熱器的熱工性能?！癇QH”、“BQC”兩種產(chǎn)品構(gòu)造基本一致。主要構(gòu)造特點(diǎn)是熱媒與被加熱水流程的合理匹配,大波節(jié)U型管均勻密布,避免被加熱水短路通過(guò)。2004年6月對(duì)“BQH”、“BQC”兩臺(tái)試驗(yàn)罐分別進(jìn)行了“汽-水換熱”與“水-水換熱”熱工性能自測(cè)與“測(cè)試中心”的復(fù)測(cè),其測(cè)試數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表4與表5。3波節(jié)管換熱器熱性能從以上所述波節(jié)管換熱器提高換熱效果的原理及4種波節(jié)管換熱器的熱工性能測(cè)試數(shù)據(jù)表中可定性地看出“波節(jié)管換熱器”的高效換熱性能,下面通過(guò)表6所列波節(jié)管換熱器與其他相應(yīng)同型的各種換熱器實(shí)測(cè)的主要熱工參數(shù)對(duì)比則可以定量地看出波節(jié)管換熱器的優(yōu)異效果(表6所列數(shù)據(jù)均是以換熱面積為準(zhǔn),取其單位換熱面積熱媒流量相近的實(shí)測(cè)熱工參數(shù))。3.1bqc管及其他水-水換熱元件的性能傳熱系數(shù)K是衡量換熱器熱工性能的關(guān)鍵參數(shù)。表6中,汽-水換熱時(shí),以波節(jié)管為換熱元件的“DBRV-04”、“DBHRV”、“BQH”、“BQC”分別比以光面U型管為換熱元件的“RV-04”、“HRV”以及浮動(dòng)盤(pán)管為換熱元件的“DFQ-R”、“DFQ-C”提高1.96、1.86、1.57、1.81倍,平均提高1.80倍。水-水換熱時(shí),分別提高的值為2.46、2.19、2.69倍,平均提高2.446倍。大波節(jié)管U型列管式快速換熱器實(shí)測(cè)汽-水換熱時(shí)K的最大值達(dá)13020W/(m2·K),這是至今筆者所見(jiàn)到的換熱器中的最大K值。3.2水-水換熱及采暖以波節(jié)管為換熱元件的換熱器換熱效果優(yōu)越的另一特征是:在大幅度提高K值的同時(shí),熱媒溫降ΔT與被加熱水溫升ΔT′明顯提高。汽-水換熱時(shí),“DBRV-04”、“DBHRV”凝結(jié)水出水溫度T2為37.03℃、26.1℃,比“RV-04”、“HRV”的64.2℃、71.3℃要低得多。前者的ΔT為103.54℃、119.29℃分別比后者的81.5℃、48.9℃提高了0.27、1.44倍?！癉BRV-04”、“DBHRV”的被加熱水溫升ΔT′為63.48℃、47.7℃分別為“RV-04”、“HRV”的ΔT′為41.1℃、41.0℃的1.54、1.16倍。水-水換熱時(shí),“DBRV-04”、“DBHRV”的ΔT為39.95℃、38.55℃,ΔT′=48℃、43.3℃,分別比“RV-04”、“DBHRV”的ΔT=27.3℃、19.78℃,ΔT′=37℃、34.19℃提高0.46、0.93和0.3、0.27倍。采暖及空調(diào)用的快速換熱器,因測(cè)試要控制被加熱水的溫度范圍,即采暖用控制T′1≈65℃,T′2≈90℃,ΔT′=20～25℃,空調(diào)用控制T′1≈50℃,T′2≈60℃,ΔT′=10～15℃。因此“BQH”、“BQC”與“DFQ-R”、“DFQ-C”汽-水換熱時(shí)ΔT基本相似。但水-水換熱時(shí)ΔT′相似條件下,“BQC”的ΔT=88-62=26℃,“DFQ-C”的ΔT=94.59-73.82=20.77℃,前者為后者的1.25倍。3.3金屬熱強(qiáng)度的測(cè)定評(píng)價(jià)一個(gè)換熱器熱工性能好壞的綜合性指標(biāo)是金屬熱強(qiáng)度,亦即單位耗鋼量的產(chǎn)熱量。從表5所列的幾種換熱器來(lái)看,以單位換熱面積的產(chǎn)熱量代表金屬熱強(qiáng)度作為綜合指標(biāo)。其值見(jiàn)表7。3.4快速傳熱器與被加熱水的阻力比較從表1,表2可看出:“DBRV-04”、“DBHRV”汽-水換熱時(shí),熱媒阻力分別為0.08MPa,0.14MPa;水-水換熱時(shí),當(dāng)傳熱系數(shù)達(dá)到2300～2450W/(m2·K)時(shí),熱媒阻力約為0.09MPa,兩種產(chǎn)品的被加熱水一側(cè)的阻力損失均≤0.01MPa,完全滿足制備生活用熱水時(shí),換熱設(shè)備主要保證被加熱水的阻力小、供水系統(tǒng)冷熱水壓力平衡的要求?！癇QC”、“BQH”兩種快速傳熱器的熱媒與被加熱水的阻力損失如表4和表5中ΔP1、ΔP2所示?！癇QC”水-水換熱K=6603.2W/(m2·K)時(shí)相應(yīng)熱媒的ΔP1=0.105MPa,被加熱水ΔP2=0.05MPa,并不算大。這說(shuō)明:波節(jié)管換熱器的K,ΔT,ΔT′的大幅度提高并沒(méi)有引起熱媒與被加熱水阻力的增大。4波節(jié)管換熱器供熱性能優(yōu)越通過(guò)對(duì)波節(jié)管的構(gòu)造、提高換熱效果的原理、波節(jié)管導(dǎo)流型容積式換熱器、半容積式換熱器、快速換熱器的熱工測(cè)試數(shù)據(jù)及其與同型光面U型管,浮動(dòng)盤(pán)管換熱器的對(duì)比,可十分明顯地看出波節(jié)管換熱器熱工性能優(yōu)越的特點(diǎn)。4.1減少熱耗型產(chǎn)品由于波節(jié)管換熱器的K值很高,單位換熱面積的產(chǎn)熱量要比同型產(chǎn)品高出1