徐建民，曾 凱，李智勇，王俊冕，劉 康

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

0 引 言

波紋管是一種性能較優(yōu)的強(qiáng)化傳熱原件，由波紋管這類換熱單元所構(gòu)成的換熱設(shè)備系統(tǒng)在煉油、化工、輕工、油田輸油加熱、城市的集中供暖等領(lǐng)域中都得到了大量的采用[1]，不論是管程還是殼程，都表現(xiàn)出較優(yōu)的傳熱強(qiáng)化作用，傳熱效果突出，體積小重量輕，加工簡單成本低廉[2]，因此目前波紋管在換熱器上的應(yīng)用最為普遍，結(jié)合波紋管傳熱及其污垢特性在以往實(shí)驗(yàn)中的研究成果，在此基礎(chǔ)上，利用對比實(shí)驗(yàn)的方法，分別采用清潔的自來水和人工配制的硬水作為工作介質(zhì)，對波紋管和光管的傳熱特性和抗垢性能進(jìn)行了分析比對.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

1.1 試驗(yàn)裝置及材料

表1 實(shí)驗(yàn)管段參數(shù)Table 1 Experimental parameters of the pipe section

圖1 波紋管局部剖面示意圖Fig.1 Partial cross-sectional schematic view of a bellows

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，設(shè)備所模擬的換熱器由兩根管組成，一根為實(shí)驗(yàn)所要用的波紋管，另一根為參照對象的當(dāng)量直徑光管，管內(nèi)流動(dòng)的是實(shí)驗(yàn)配置好的流體，管外維持恒溫水浴，水溫由溫控儀控制以維持水浴溫度恒定，循環(huán)水由高位水箱流經(jīng)實(shí)驗(yàn)管段時(shí)換熱，隨后流入低位水箱，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)管段都配置了3個(gè)壁溫測點(diǎn)，1個(gè)入口和1個(gè)出口溫度測點(diǎn)，3個(gè)用來測量水浴溫度的測點(diǎn)，2個(gè)用來測量壓力降的壓差測點(diǎn)，2個(gè)流量測點(diǎn)，所有測量得到的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由電纜導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集器然后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理[3].

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Experimental system

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

由牛頓冷卻公式[4]，單位時(shí)間內(nèi)管壁傳給流體的熱流量Ф為

Φ=απdαLΔt

(1)

式(1)中Δt=tw-tf.

管內(nèi)壁內(nèi)表面的溫度tw由3個(gè)壁溫測點(diǎn)得到

(2)

因?yàn)椴讳P鋼導(dǎo)熱熱阻很低，這里忽略不計(jì)，故管內(nèi)外壁面溫度可近似看成一致，而流體的溫度tf由流體進(jìn)口溫度tfi和出口溫度tfo得到

(3)

由熱平衡方程，熱流量

(4)

式(4)中，ρ為工質(zhì)的密度，cp為定壓比熱，u為流速，這里流速可由體積流量求得

(5)

將式(4)帶入式(1)，求得管內(nèi)對流換熱系數(shù)

(6)

污垢熱阻定義式[5]為

(7)

式(7)中k0和k分別為清潔狀態(tài)下和結(jié)垢狀態(tài)下的傳熱系數(shù)，而總傳熱系數(shù)

(8)

將式(4)帶入式(8)得到

(9)

這其中，對數(shù)平均溫度

(10)

式(10)中，tsy為水浴溫度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流動(dòng)阻力系數(shù)比較

流動(dòng)阻力系數(shù)作為一項(xiàng)重要的參數(shù)指標(biāo)可以用來衡量換熱元件的性能優(yōu)劣，在實(shí)驗(yàn)前，我們先對實(shí)驗(yàn)所用的波紋管流動(dòng)阻力做了測試，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到在兩管內(nèi)流體流動(dòng)阻力系數(shù)隨Re數(shù)變化關(guān)系曲線如圖3所示.通過圖3很容易看出，光管的流動(dòng)阻力系數(shù)明顯小于波紋管，隨著Re數(shù)的增大，波紋管的流動(dòng)阻力系數(shù)在顯著減小，而光管幾乎不隨Re數(shù)的增大產(chǎn)生變化，在實(shí)驗(yàn)條件下，波紋管的流動(dòng)阻力系數(shù)大約是光管的6.6倍，分析認(rèn)為這是因?yàn)殡S著Re數(shù)的增大，波紋管周期性的縮放結(jié)構(gòu)使流體在縮放結(jié)合處產(chǎn)生了較大的回流漩渦，使得局部流體阻力增大.

圖3 流動(dòng)阻力系數(shù)變化圖Fig.3 Change in flow resistance coefficient注：

2.2 傳熱特性

由實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)，可以算出α、Nu值，進(jìn)而可以得到努賽爾數(shù)Nu與Re的關(guān)系曲線[6]如圖4所示，由圖中不難看出，不論是波紋管還是光管的傳熱系數(shù)都隨Re數(shù)的增大而增大，但隨著Re數(shù)增大，兩者換熱能力的差距逐步縮小，在Re數(shù)比較低(Re≈10 000)時(shí)，波紋管的傳熱系數(shù)比光管提升了約41%，當(dāng)Re數(shù)比較大(Re≈25 000)時(shí)，波紋管與光管的傳熱系數(shù)就已經(jīng)比較接近，在Re數(shù)較低時(shí)，波紋管周期性的收縮段起到了加速流體的作用，傳熱得到強(qiáng)化，但是隨著流體Re的變大，其自身的擾動(dòng)能力增強(qiáng)，能夠有效地破壞流動(dòng)邊界層，換熱表面對流體的黏性作用減弱，使傳熱能力增強(qiáng)，同時(shí)削弱了致垢粒子的沉積速度[7].

圖4 波紋管與光管傳熱特性比較Fig.4 The result of heat transfer performance between the corrugate tube and the plain tube注：

2.3 污垢特性比較

為了比較波紋管和光管的抗垢性能，實(shí)驗(yàn)前先配置好模擬人工硬水用作循環(huán)工質(zhì)，硬度設(shè)定為800 mg/L，CaCl2和Na2CO3依據(jù)反應(yīng)所需按摩爾比1∶2配制而成，在實(shí)驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)間隔時(shí)間自動(dòng)采集并分析各測點(diǎn)的溫度、流量數(shù)據(jù).由實(shí)驗(yàn)可以得到波紋管與光管的污垢熱阻值隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示.由圖可以看出，波紋管的漸進(jìn)污垢熱阻值約為光管的0.9倍，而二者的誘導(dǎo)期卻相差不大，大約都為30 h,達(dá)到漸進(jìn)值的時(shí)間也都約等于70 h.總體來說波紋管的阻垢性能較光管占優(yōu)，但是效果并不明顯.

圖5 光管與波紋管污垢特性Fig.5 The plain tube and the bellow fouling characteristics注：

2.4 結(jié)垢前后的傳熱性能比較

由于污垢熱阻的影響，光管與波紋管在結(jié)垢前后都會(huì)表現(xiàn)出傳熱性能的變化，為了直觀地比較這一點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在20 min左右，在加藥之前與實(shí)驗(yàn)結(jié)束之前，每分鐘分別進(jìn)行一次測量，結(jié)果如圖6所示，結(jié)垢之前的強(qiáng)化比(波紋管管內(nèi)對流換熱NuC與光管管內(nèi)對流換熱NuP之比)大約為1∶3，結(jié)垢之后為1∶7，這說明隨著結(jié)垢的萌生和發(fā)展，兩者在傳熱性能上的差別也越來越大，因此波紋管在強(qiáng)化傳熱這一方面具有突出的功能.

圖6 結(jié)垢前后強(qiáng)化比Fig.6 Fouling ratio before and after the strengthening注：

3 結(jié) 語

a.在清潔狀態(tài)下，波紋管對光管的傳熱強(qiáng)化比約為1∶3，表明波紋管在傳熱性能上具有優(yōu)勢；在污垢狀態(tài)下，其傳熱強(qiáng)化比約為1∶7，這說明波紋管相對于光管更適合在臟污環(huán)境下使用.

b.在流體介質(zhì)與硬度相同的情況下，波紋管的漸進(jìn)污垢熱阻值大約為光管的0.9倍，這表明波紋管在阻垢性能方面有優(yōu)勢.

致 謝

本文得到武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院過程裝備與腐蝕防護(hù)實(shí)驗(yàn)室全體人員的幫助和支持,在此表示衷心的感謝.

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