螺旋扭曲管内部流动与传热特性试验研究

　　

螺旋扭曲管内部流动与传热特性试验研究

赵彦营，徐哲，李培跃，金向东，鄂楠，崔洪亮

（中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳，471039）

摘 要：螺旋扭曲管是一种新型的强化传热元件，具有传热效率高、流动阻力小等优势，在石油化工、船舶、采矿、动力以及钢铁行业中具有广泛的应用前景。本文采用试验的方法，研究了螺旋扭曲管管内在湍流(Nu＞20000)范围内的流动与强化传热特性，并与同规格的光滑圆管进行了比较。试验结果表明，在相同的Re数下，螺旋扭曲管管内Nu数大于光滑圆管，增大了约30%-50%，表明螺旋扭曲管能有效地提高管内对流换热效果；在相同的Re数下，螺旋扭曲管阻力因子比光滑圆管小；在相同的流量下，螺旋扭曲管管内阻力损失与光滑圆阻力损失基本相当，表明采用螺旋扭曲管不会显著的增加摩擦阻力。

关键词：螺旋扭曲管；流动与传热特性；强化传热；试验研究；流动阻力

中图分类号：TK 172 文献标识码：A

Experimental Research on The Flow and Heat Transfer Characteristics of Twisted Oval Tube

Zhao Yanying, Xu zhe, Li Peiyue, Jin Xiangdong, Cui Hongliang

(.Luoyang Ship Material research Institute, Luoyang 471023, China)

Abstract: The twisted tube is a new type heat transfer enhanced tube, which has the advantages of high heat transfer efficiency and low flow resistance. It has a broad application prospect in petrochemical, shipbuilding, mining, power and steel industries. The flow and heat transfer enhanced characteristics of twisted oval tube and smooth tube in the turbulent (Re >20000) range were studied experimentally in this paper. With the same Re number, the Nu number in the twisted oval tube is 30% to 50% higher than that in the smooth tube, which indicates that the twisted oval tube can improve the convective heat transfer; With the same Re number, the internal resistance coefficient of twisted oval tube is smaller than smooth tube; With the same volume flow rate, the pressure drop in the twisted tube is basically equivalent to that in the smooth tube, indicating that the use of twisted oval tubes will not increase the flow resistance significantly.

Keywords: twisted oval tube; flow and heat transfer characteristics; enhanced heat transfer; experiment research flow resistance

0 前言

为了提高换热器的结构紧凑度，减小设备的尺寸和重量，科研人员发明了多种多样的强化传热措施。螺旋扭曲管是一种新型的强化传热元件^[1]，与传统的管壳式换热器相比，采用螺旋扭曲管的换热器具有换热效率高、流动阻力小、管束振动低、壳程流动死区小、工作噪音小、维护成本低等优势，在石化、船舶、采矿、动力以及钢铁行业中都有着十巨大的应用前景^[2]。

从上世纪八十年代开始，国外的一些科研机构就针对螺旋扭曲管的热工特性开展了大量实验和数值模拟研究。Zachar^[3]采用数值模拟的方法研究了层流及过渡流时，螺旋扭曲管尺寸参数对流动换热的影响；

Dzyubenko等人^[4-6]对螺旋扭曲管的发展做了大量的工作，开展了非稳态传热实验，研究了螺旋扭曲管管束的热工特性，还发明了带翅片的螺旋扭曲管，并进行了热工试验；Al-Hadhrami等人^[7]用螺旋扭曲管换热器替代了管壳式换热器，发现螺旋扭曲管换热器管内阻力更低，结垢更少，同时传热性能也得到了提高，改造后，在节能、降成本方面实现了可观的效益。

鉴于螺旋扭曲管优异的性能，国内许多学者也对螺旋扭曲换热器的热工性能开展了一系列的研究。董新宇等人^[8]开展了钛合金螺旋扭曲管内的热工性能的实验，分析了钛合金螺旋扭曲管强化传热的效果，并拟合得到了传热和阻力特性的试验关联式，并与经典的经验关联式如D-B方程、Gnielinski方程等进行了比较。张杏祥等人^[9，10]对螺旋扭曲管的热工性能开展了模拟计算，认为螺旋扭曲管在强化换热效率方面性能良好。谭祥辉等人^[11]使用螺旋扭曲管替换了传统的折流板凝汽器，经测试，改造后换热器的凝水量增加了10.2%，阻力降下降了16.3%，表明螺旋扭曲管换热器也适用于有相变的换热过程。与改造前的管壳式换热器相比，螺旋扁管换热器的换热面积减少高达50%，成本下降30%。思勤等^[12]、高学农等^[13]、孟继安等^[14]也采用试验或数值模拟的方法获得了传热和流动相应的计算关联式。

目前国内对螺旋扭曲管的管内传热流动性能的研究多数采用数值模拟方式，且螺旋扭曲管换热器在国内的应用还比较少。本文采用试验研究的方法，以去离子水为工质，获得了螺旋扭曲管管内湍流的传热与流阻特性，分析了该管型的传热规律。本文的试验结果可为后续螺旋扭曲管换热器的热工设计和应用推广提供支撑。

1 螺旋扭曲管强化传热机理

螺旋扭曲管换热器的外形结构与管壳式换热器相似，壳体包裹换热管形成壳程，换热管两端与管板连接与封头一起形成管程。在换热器的壳程，由于螺旋扭曲管外缘螺旋线互相接触，即可实现换热管之间的相互支撑，因此不需要设置折流板，如图1所示。圆管经压扁、扭曲制成螺旋扭曲管后，换热管横截面呈椭圆形，横截面积减小，流动湿周不变。为了实现换热管与管板之间的良好连接，换热管的两端并不扭曲，保持圆形，可采用焊接或涨接的方法^[15]。螺旋扭曲管换热器也可以设计为多管程或多壳程结构，以满足不同系统工艺参数的要求。

图1 螺旋扭曲管管束图

Fig.1 Diagram of twisted tube bundle

无论是换热器的管程还是壳程，采用螺旋扭曲管都可以提高对流换热效果^[16]。图2为换热器管程流体流动示意图，可以看到，螺旋扭曲管内呈麻花状的螺旋形流道使得流体在管内流动方向围绕圆管轴向不断变化，从而提高了管内的换热性能。

图2螺旋扭曲管内流体流动示意图

Fig.2 Schematic diagram of medium flow in spirally twisted tube

在换热器的壳程不需要设置折流板，如此，一方面，因为换热管扭曲的外形，在换热管之间形成螺旋形的流动通道，工质的流动方向沿管子中轴线不断旋转变化，工质湍流强度增加，管壁面处的热边界层和流动边界层减薄，提高了对流换热效果；另一方面，螺旋扭曲管换热器壳程的无折流板设计，使得螺旋扭曲管管间距减小，设备结构更加紧凑，加之换热管之间的支撑点较多，很好的减轻了换热管在运行时的振动，也避免了在折流板根部产生低流速区及流动死区，如此这部分区域也可以参与到换热中来，传热效果得到加强^[17]。同时，由于无折流板死区，螺旋扭曲管壳程结垢的可能性也大大减少。因此，鉴于螺旋扭曲管换热器优异的热工性能和结构性特性，其应用前景较传统管壳式换热器更为广阔。

2 试验装置与方法

2.1试验系统

图3是本文搭建的螺旋扭曲管热工试验系统流程图。该试验系统主要包含螺旋扭曲管试验段、冷侧循环系统、热侧循环系统以及数据采集系统等。

图3 试验系统示意图

Fig.3 Schematic diagram of the test system

冷侧循环系统是由水箱、水泵、传热管内侧、冷却装置和相应的管路共同组成的。管内冷侧工质为去离子水，经水泵加压后，去离子水流到试验段，与热侧工质进行热交换并升温后流出试验段，再经冷却后回到水箱中。 热侧循环系统是由油箱、油泵、油加热器、传热管外侧以及相应的管道共同组成的。管热侧外工质为导热油。导热油在油加热器升温至设定的温度，然后流至试验段，与去离子水换热后温度下降。在试验段的进出口分别设置了温度传感器和压力传感器，同时在试验管表面设置了5个温度传感器。5个温度传感器沿换热管外表面平均分布，主要用来测量不同截面处管外壁面温度。表1为试验中所使用的的测量仪表。

表1 试验使用的仪表及规格参数

Tab.1 Instrument and specifications used in experiment

仪表名称	用途	精度
T型铠装热电偶	测量流体进出口温度	I级
T型热电偶丝	测量管壁面温度	I级
电磁流量计	测量流体的体积流量	0.3%
质量流量计	测量工质的质量流量	±0.1%
压力变送器	测量流体进口处压力	0.1%
差压变送器	测量进出口压降	0.1%

为了防止试验时换热管散热影响试验精度，在试验段铺设保温棉以减少试验时的热损失。

2.2 试验参数

图4和图5分别为螺旋扭曲管的横截面示意图和扭矩示意图。在本试验中，螺旋扭曲管尺寸参数为：换热管长度L为1500 mm，壁厚δ为1.5 mm，长轴长度A为23.5 mm，短轴长度B为13.5 mm， 扭矩S为20 mm；光滑圆管尺寸参数为：外径Di为19 mm，换热管长度L为1500 mm，壁厚δ为1.5 mm。

图4 螺旋扭曲管横截面示意图

Fig.4 Schematic diagram of cross section for twisted oval tube

图5 螺旋扭曲管扭矩示意图

Fig.5 Torque diagram of twisted oval tube

试验时，具体工况范围见表2：

表2 试验主要参数

Tab.2 The main parameters of the experiment

	管内	管外
介质	去离子水	导热油
入口温度	30 ℃	107 ℃
流速	0.75-3 m/s	0.3-1.5 m/s
雷诺	20000-60000	700-2300

3 试验数据处理

为了保证测量数据的真实可靠，试验数据取流动稳定后一段时间的平均值。在对数据进行处理前，先计算冷热测的传热量，差别应在5%以内。数据处理时，首先根据壁面温度和热负荷求出同规格单管元件的管内对流换热系数，然后利用传热方程计算管外对流换热系数。

3.1管内传热系数

根据在试验中测量的5个管外壁面的温度，采用下式计算管外壁面的平均温度：

(1)

式中：T_w,out——管外壁面的平均温度，℃；

T_w,n——第n段截面处管外壁面温度，℃。

管内壁面的温度T_w,in可以通过圆管一维导热方程计算获得：

(2)

其中：T_w,in——管内壁温度，℃；

——换热管导热系数 ；

——换热管壁厚；

由于管内去离子水温度变化不大，流体的物性参数变化也不大，取管内流体进出口的平均温度为定性温度：

(3)

式中：T_t,f——流体平均温度，℃；

T_t,in——流体进口温度，℃；

T_t,out——流体出口温度，℃。

管内传热量可分别通过计算管程和壳程的传热量计算得到，取两者平均值为平均传热量：

(4)

式中：Q_t——管内传热量，W；

m_t——质量流量，kg/s；

c_p——比热容，J/(kg.℃)。

计算管内对流换热系数：

(5)

式中：h_t——管内对流换热系数，W/（m².K）；

A_i——管内传热面积，m²；

3.2管内阻力系数

管内流体阻力系数公式为：

(6)

式中：f_t——管内摩擦阻力因子；

△p_t——换热管进出口压差，Pa；

D_i——换热管当量直径，m；

L_t——换热管测试段长度，m；

ρ——管内流体定性温度下密度，kg/m³；

ν_t——管内流体流速，m/s。

3.3误差分析

在试验后进行数据分析时要首先进行误差分析，计算试验数据的误差，误差越小，试验数据越可靠，其实用价值就越高。在本试验中，例如对流换热系数、摩擦阻力系数等都是利用公式计算得到的，并不能直接通过测量仪器仪表测量得到。因此，需要通过计算，得到最终的误差。加入计算值R由x₁-x_N等N个测量值计算得出，那么最终计算值R的不确定度可根据如下传递公式计算：

(7)

式中是每个测量值的不确定度。

通过计算得出，测温误差最大为2.16%，测压误差为0.39%，测量的流量的误差为0.1%，计算的换热量的误差为1.3%，计算的对流换热系数的误差为1.91%。因此，本试验的结果是真实可靠的。

4 管内传热与流阻性能分析

4.1 传热特性

图6为总传热量为19kW时，螺旋扭曲管和光滑圆管管内努塞尔数随雷诺数的变化。可见，不论是螺旋扭曲管还是光滑圆管，随着雷诺数的提高，管内努塞尔数都会提高。当雷诺数相同时，螺旋扭曲管管内努塞尔数比光滑圆管大，增大了约30%~50%。

对于螺旋扭曲管来说，螺旋形的流道使得流体流动时不断变换流动方向，湍流强度增加，同时在流道横截面上会产生二次流，边界层减薄，使得对流换热性能大大提高。

图6 Q=19kW时，Nu数随Re数变化趋势

Fig.6 When Q=19kW, Nu number changes with Re number

图7为螺旋扭曲管与光滑圆管在不同热负荷下，管内努塞尔数随雷诺数的变化趋势。可以看到，在热负荷相同时，螺旋扭曲管的努塞尔数比光滑圆管大。随着雷诺数的提高，螺旋扭曲管与光滑圆管的努塞尔数之间的差值更大，这说明螺旋扭曲管在雷诺数较高的情况下对流换热性能更强。

图7不同传热量时Nu数随Re数变化趋势

Fig.7 Variation trend of Nu number with Re number for different heat load

4.2流动阻力特性

图8为螺旋扭曲管和光滑圆管的管内摩擦阻力因子随雷诺数变化图。可以看到，随着雷诺数的提高，管内摩擦阻力因子逐渐降低，但是降低的变化幅度很小，且光滑圆管摩擦因子降低的幅度较螺旋扭曲管更大。光滑圆管摩擦阻力因子约为螺旋扭曲管的1.7倍。

由于压扁后，螺旋扭曲管流通截面积和水力直径要小于光滑圆管，因此相同雷诺数下，螺旋扭曲管管内介质流速要高于光滑圆管。根据公式6可知，摩擦阻力因子与流速的平方成反比，因此，相同雷诺数下螺旋扭曲管的摩擦阻力因子更小。

可以采用综合性能评价因子来评估换热器的热工综合性能，综合性能评价因子定义如下：

(3)

计算得到在雷诺数为45000时，综合性能评价因子为1.08，表明螺旋扭曲管的热工综合性能优于圆管。

图8 阻力因子f随管内雷诺变化图

Fig. 8 Variation of resistance factor f with Nu in tube

图9为螺旋扭曲管和光滑圆管的阻力损失随管内流体体积流量的变化。由图可见，随着工质流量的提高，螺旋扭曲管和光滑圆管的阻力损失都在增加，且阻力损失增加的速率不断加快，这是由于阻力损失与流量的平方呈正比造成的。但是螺旋扭曲管与光滑圆管的阻力损失在相同的体积流量下基本相同。这是由于，螺旋扭曲管的横截面积要小于圆管，导致相同流量下（此时雷诺数也相同）螺旋扭曲管的流速较高，但是又由于螺旋扭曲管的低阻力系数，最终造成螺旋扭曲管与圆管两者在相同流量下阻力相当。因此，采用螺旋螺旋管时，与管壳式换热器相比并不会显著增大管内流动阻力。

图9试验段压降随体积流量的变化趋势

Fig.9 The pressure drop of the experimental section changes with the volume flow rate

5 结 论

螺旋扭曲管具有热效率高、阻力损失小等优势，在石油化工、船舶等领域应用前景广泛。本文搭建了螺旋扭曲管传热试验平台，测量并分析了螺旋扭曲管的流动与传热特性，得到的结论如下：

（1）在相同的雷诺数下，螺旋扭曲管管内努塞尔数大于光滑圆管，表明螺旋扭曲管能够增强对流换热。

（2）随着雷诺数的增加，螺旋扭曲管强化传热的效果越明显。

（3）螺旋扭曲管管内阻力系数在相同雷诺数下小于光滑圆管。

（4）螺旋扭曲管管内阻力损失与光滑圆管在相同体积流量下基本相同，采用螺旋扭曲管不会显著增大管内流动阻力。

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