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高频焊螺旋翅片热管换热器特征的研究
徐透明牟楷
南京化工学院
中国工程热物理学会
第一届热管会议
传热传质学会
一九八三年八月
符号说明
A
换热器表面积
米2
Ah
换热器蒸发段翅片管管表面面积
米2
Ac
换热器冷凝段光管管表面面积
米2
Cp
定压比热
千卡/公斤·oC
Do
光管外径
米
Di
热管内径
米
dv
热管内蒸汽通道直径
米
Dev
容积当量直径
米
NFV
流动净自由容积
米3
流体阻力系数
Gm
经过最小截面积的最大质量流量
公斤/米2·时
Gc
重力换算系数
gc=×108公斤·时2
h
管外换热系数
千卡/米2·时·oC
hh
以Ah为基准的管外换热系数
同上
hc
以Ac为基准的管外换热系数
同上
hie
以热管内蒸发段面积为基准的管内蒸
发沸腾换热系数
同上
J
热的机械功当量
公斤·米/千卡
Lg
气流流过的长度
米
Nu
努赛尔数
P
锅炉内饱和蒸汽压公斤/厘
米2
pv
热管内蒸汽压差
同上
Q
热流量
千卡/时
Q
热流密度
千卡/米2·时
R
热阻oC/W或
千卡/W或米2oC/千
卡
Reh
传热计算雷诺数
Rep
阻力计算雷诺数
R
汽化潜热
千卡/公斤
热管间距
米
ST
SL
热管间距
米
SL
T
温度
oC
tw
壁面温度
oC
tf
气流温度
oC
thi
换热器热流体进口温度
oC
tci
换热器冷流体进口温度
oC
thcp换热器热流体、出口均匀温度
oC
Tv
热管内蒸汽温度
oC
tm
对数均匀温度
oC
U
总传热系数
千卡米2·时·oC
/
W
气流速度
米/秒
λ
管壁导热系数
千卡/米
2·时·oC
λl
液体导热系数
同上
μ
气体粘度
公斤/米·秒
μw
壁温下气体粘度
同上
ρl液体密度
公斤/米3
ρU管内蒸汽密度
同上
f翅片效率ε换热器效率
一、前言
热管是一种高效传热元件,由热管构成的换热器,因为其传热效率高。阻力损失小,结构紧凑,运转周期长等特色,常作废热回收装置,在外国已获取广泛的使用。近几年来,国内对热管和热管换热器研究和适用计算公式正在蓬勃流行。除了需要对热管的单管性能进行试验以外,还必要对热管换热器整体性能进行研究。特别在为提升传热率而广泛采纳高频焊接螺旋翅片管作为管壳后,对这类换热器的整体性能研究更为迫切。
本文是对气流横掠高频焊接螺旋翅片管管束的换热规律和阻力特征进行了实验研究。经过对四十四个工况下的总传热系数的测定,并分别出管外换热系数以及阻力试验,得出相应的计算式。用实验得出的准则方程式和计算式,设计式,设计了两台热管换热器,对此两台热管换热器的性能进行了现场实测,实测数据和设计数据合得较好。
二、传热特征的研究
:
热虹吸管拥有传热率高,结构简单,工作靠谱和价格廉价等长处,目
前地面使用的热管换热器很多采纳热虹管作为传热元件。热虹吸管的传热
模型如图1所示(1)。热虹吸管的传热过程是由七个传热环节所构成,即
R1
1
hh蒸发段管外换热热阻
LC
图1热
膜
虹吸管传热模型
La
Le
R2
do
d
2
en
d

0
i
蒸发段管壁导热热阻
蒸发段管内蒸发、沸腾热阻。它是由两部份构成
1
R3h



g


ie
e
e
cpe
R

过分充液量
(1)
0
.25


Ra
qe
v
e
形成的液池沸腾换热热阻,沸腾换热系数hp经过分纲解析,可用
下式计算[1]
(1)
(2)回流冷凝液层流液膜蒸发换热热阻,它可以看作是冷凝换热热的逆
过程,液膜传热系数hf可用下式计算
Tv
1
4
v
e2/g3
4
3
1
(2)
R4
J
hf
3
Ref
3
v
e
(2)蒸汽由蒸发段流向冷凝段的轴向流动热阻,这热
阻和其余各项热阻比较,数目级小得多[3],所以可以忽视不计。
1
R5
hci

冷凝段凝结换热热阴,可依据
Nusselt冷凝理论求出均匀传热系数
1
3
e2/g
hc
e

4
3

4
1
3
Rec3
(3)
此中
/(4)
d0
d
R6
en
g
d

0
冷凝段
i
管壁导热热阻
R7

1冷凝段管外换热热阻
hc
上述七个传热环节构成了从高温热源到低温冷源的所有传热过程,这七个
传热环节是一个完好的串通热路如图2所示,由此可得总热阻的计算式
7Ri
2
i1(5)
若忽视蒸汽压差流动过程的热阻R4,则(5)式可以写成
R=R+R+R+R+R+R
(6)
1
2
3
5
6
7
此中R1和R7是管外热阻,R2,R3,R5和R6是管内热阻
图2热阻和热路
实验数学关系式的建立
今以蒸发段管外总表面积为基准,则总传热率的方程式为
QUAh
tm
(7)
这个方程也是总传热系数U的定义方程。
总热阻和各热阻之间的关系可写成
1
1
Ah
Ah
Ah
Ah
1Ah
R
U
hhf
R2Ah0
R3Ah0
R5Aci
R6Ac
hcAc
(8)
依据式(8),等式左侧总传热系数U可以依据实验测得的Q、△tm和
已知的Ah计算出来。
等式右侧第二项中的R2和R6,因为碳钢的导热系数随温度变化甚微,
所以当热管尺寸一准时,R2和R6可以以为是常数。
等式右侧的第三项和第四项中,R3可以用式(1)和式(2)进行计算,
R5可以用式(3)和式(4)进行计算,单管试验表示用式(1)一式(4)
计算偏差较小。
等式右侧的第六项中hc可以采纳大容积沸腾换热系数的经验公式(4)
进行计算,当饱和蒸汽压在1-40公斤/厘米2时

此中p和q均可由实验测得。
等式右侧第一项中的hh是我们所要追求的量,从传热学知道,气流横
掠管束时的换热准则方程为
1
Nu
ARehmpr3
(10)
(10)式亦可写成

1
ARehmpr3
式
hh
ARehmpr
3
(11)
1
d0
将(11)代入(8)式,经整理后可得
此中
1
1
1
(12)
m
C
d0
pr3
AReh
f
U
C
d0
d0
Ah
Ah
Ah
Ah
1Ah(13)
2
ln
Ahc
Ac
R3
R5
hAc
di
Ahi
Aci
(12)两边取对数
lAmlR
l
1
C
1
3
(14)
d0p
1
n
u
eh
u
fU
r
假如设
luA
m
lnReh
1
1
y
ln
f
1
C
d0pr3
U
y
a
bx
则(14)式可写成(15)
式(15)即为实验数学关系式,y和x成线性关系,经过实验测得四
十四对x,y,采纳线性回归的方法,就可以求得A和m,从而求得高
频焊接螺旋翅片管的管外换热的准则方程式。
实验装置和方法
试验用的热管,光管外径为∮,,翅片间距为6。33毫米,蒸发段长度为500毫米,冷凝段长度为30毫米,冷凝段为光管,热管作成无吸液芯的碳钢-水热虹吸管。
试验用热管换热器由14根热管构成,按等边三角形摆列,间距sL和sT为65毫米,共排成9排。
由燃油炉产生高温烟气经配风口配入合适的空气后横掠热管管束的加热段,再经引风机排空。冷水用灌水泵连续地向热管管束的冷凝段供水,吸热后变为蒸汽经汽水分别及节流膨胀后进入板式冷凝器冷凝成水。
烟气进、出口温度由镍铬-镍硅热电偶和数字电压表示测定。烟气流量是用笛形管和倾斜式微压计丈量。蒸汽的温度和压力用水银温度计和压力表丈量,经过节流膨胀测定的干度,并计量蒸发率。从公式(11)中可以看出,管外换热系数hh是几何参数、气流速度和