菱形翅片管

菱形翅片管是一種由管基體和菱形狀的三維周向翅片構成的高效換熱元件。菱形翅片管是由華南理工大學趙曉曦,鄧先和,陸恩錫三位學者提出的，並在此基礎上發展了空心環支撐菱形翅片管換熱器。菱形狀的三維周向翅片按一定的螺旋角凸附於管基體的外表面, 菱形翅片為偏梯形, 菱形翅片間的缺口為三角形, 缺口沿翅片周向周期性出現, 相鄰周向翅片間保持一翅間距。菱形翅片管強化冷凝或對流傳熱的基本原理為: 蒸氣在菱形翅片表面上冷凝時, 利用冷凝液膜的表面張力與菱形翅片表面曲率半徑的變化, 使冷凝液膜縮聚於翅根, 而翅片上冷凝液膜很薄, 可起到強化冷凝傳熱的作用。還詳細介紹了空心環支撐菱形翅片管換熱器的原理、特點以及套用範圍。

基本介紹

• 中文名：菱形翅片管
• 外文名：lozenge fin tube
• 提出者：鄧先和,陸恩錫，趙曉曦
• 類型：高效換熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

石油化工行業是我國的高能耗工業, 如何有效地降低能耗已成為石化工業發展中的關鍵性問題。將先進的傳熱強化節能技術引入石化工業系統, 是降低生產能耗的極有效方法。近年來, 人們開發出了多種利用三維翅片強化冷凝或對流傳熱的傳熱管 。在這些新型強化傳熱管中, 目前工業上套用較多的是螺紋翅片管和花瓣形翅片管,其套用主要在電力、製冷、化工等領域。螺紋翅片管中既有硬金屬鋼製的, 也有軟金屬銅( 或鋁) 制的, 缺點是: 其強化傳熱效果通過增加擴展傳熱面積來實現, 而並無提高冷凝或對流傳熱時的傳熱膜係數( 按實際面積計算) , 且在翅化率較高的情況下按實際面積計算的傳熱膜係數甚至比普通光滑管的還低, 未能充分發揮有效傳熱面積的傳熱
強化作用。花瓣形翅片管的周向非連續三維翅片在冷凝或對流傳熱時都能起到提高傳熱膜係數的作用( 按實際面積計算) , 可充分發揮有效傳熱面積的傳熱強化作用, 比螺紋翅片管有較好的傳熱強化性能, 但花瓣形翅片管目前還只有軟金屬銅( 或鋁) 制的管型, 軟金屬的材料成本較高, 不利於在工業套用中普遍推廣。在石油煉製、石油化工等生產中, 換熱負荷大, 只有成本相對低廉的傳熱管才利於推廣使用。菱形翅片管是新開發出的一種鋼製三維翅片管, 其加工成本較低, 傳熱效果較好, 已經申請了中國專利。

筆者採用柴油為工作介質, 通過兩組對比試驗分別研究菱形翅片管在油冷器和油冷凝器中的傳熱強化特性。

菱形翅片管的結構

菱形翅片管的結構示意圖見圖, 它主要由管基體和菱形狀的三維周向翅片構成。菱形狀的三維周向翅片按一定的螺旋角凸附於管基體的外表面, 菱形翅片為偏梯形, 菱形翅片間的缺口為三角形, 缺口沿翅片周向周期性出現, 相鄰周向翅片間保持一翅間距。

菱形翅片管的結構示意圖

菱形翅片管的強化傳熱機理

菱形翅片管強化冷凝或對流傳熱的基本原理為: 蒸氣在菱形翅片表面上冷凝時, 利用冷凝液膜的表面張力與菱形翅片表面曲率半徑的變化, 使冷凝液膜縮聚於翅根, 而翅片上冷凝液膜很薄, 可起到強化冷凝傳熱的作用。流體在橫向( 或縱向)流經菱形翅片表面時, 流體傳熱邊界層在非連續周向翅片上周期性受到破壞, 可使流體傳熱邊界層的厚度減薄, 提高對流傳熱膜係數。

菱形翅片管在油冷器中的強化傳熱特性研究

以柴油為工質, 通過不同管束的兩台換熱器對比試驗, 研究菱形翅片管的強化傳熱與流阻性能。兩台換熱器都採用螺旋折流板作為殼程支撐結構, 換熱器 內為光滑管束, 換熱器( 油冷器)內為菱形翅片管束。

將換熱器 和換熱器!串連, 約40 ∀ 的柴油工質在換熱器 的殼程內被管程內流動的水蒸汽加熱到約80 ∀ 後, 進入換熱器1的殼程被管程內流動的冷卻水冷卻至約40 ∀ 左右。改變柴油工質的流量, 記錄不同流量下柴油進出口的溫度、蒸汽進出口溫度、冷卻水進出口溫度和流量、換熱器 和換熱器!殼側進出口壓力表的讀數。在得到換熱器的總傳熱係數後採用修正威爾遜分離法來計算換熱器的殼側傳熱膜係數。根據對螺旋折流板換熱器殼側流體進行流路分析的結果, 採用疊代的方法編程計算殼側流阻係數。

根據計算結果得到了該試驗條件下兩台換熱器的殼側傳熱膜係數隨雷諾數的變化曲線以及殼側流體流動的阻力係數隨雷諾數變化的曲線, 分別如圖所示。

殼側傳熱膜係數隨雷諾數的變化曲線

從圖2可以看出, 隨著雷諾數的增大, 由於湍流度增強, 換熱器 和換熱器的殼側傳熱膜係數都有所提高; 而在相同雷諾數下, 換熱器!的殼側傳熱膜係數比換熱器 的高54% ~ 108%, 且隨Re 增大, 傳熱膜係數提高的幅度也增大。從圖 可以看出, 隨著雷諾數的增大, 柴油在換熱器和換熱器殼側流動的阻力係數減小。相同的雷諾數下, 由於三維翅片在隔板孔隙的泄流量較大些, 柴油在換熱器的殼側流動的阻力係數要比換熱器 低30% ~ 5%。但是, 隨著雷諾數增大, 三維翅片擾動引起的湍動程度加劇, 換熱器殼側的阻力係數逐漸接近換熱器 。可預測, 當雷諾數進一步增加, 換熱器殼側的流阻係數將會大於換熱器 的阻力係數。

試驗研究表明, 菱形翅片管的三維翅片可以提高換熱器殼側傳熱膜係數, 能夠較好地強化對流傳熱。

空心環支撐菱形翅片管換熱器的原理

空心環支撐菱形翅片管換熱器是以菱形翅片管為傳熱元件，折流板採用空心環式支撐結構形成的一種新型高效換熱器。該換熱器的菱形翅片管為帶有周向非連續三維翅片的高效傳熱管，其傳熱強化性能優於帶周向連續翅片的螺紋翅片管。當用於冷凝強化傳熱時，由於其三維翅片的特殊結構造成翅片表面液膜的表面張力分布不—根部大，頂部小，液膜被拉向根部，使三維翅片表面的液膜厚度大幅度的減薄，熱阻減小，使汽態介質和管外壁的換熱能力增強，從而提高換熱效果。當用於對流傳熱強化時，由於其翅片的非連續性，可對流體傳熱邊界層產生周期性的破壞，使翅片表面傳熱邊界層厚度有效減薄，降低邊界滯留底層的傳熱阻力，提高換熱效果。另外，該換熱器的折流板可採用空心環作為支撐元件。空心環管支撐方式將支撐板的管橋變成殼程介質的流通通道，變普通的橫向折流為縱向流，這種流動方式流體的形體阻力非常小，可使絕大部分流體的壓降作用在強化傳熱管的粗糙傳熱界面上，用於促進界面上的對流傳熱，可充分發揮強化管的傳熱強化作用，及有效地避免了各類殼程支撐物對流體形體阻力的不利影響，在低流阻條件下獲得高的傳熱性能。

空心環支撐菱形翅片管換熱器的特點

1、較光滑管比，其表面膜傳熱係數或對流膜傳熱係數提高1-3倍；

2、用空心環作為支撐，可大大降低殼程的流阻；

3、造價一般不超過完成同樣熱負荷的光管換熱器。尤其在擴產改造中，往往只須更換管束便可滿足處理量增加20-30%的新工況，設備基礎、配管均無須改動。

4、消除了橫向折流的死區，減少積垢，提高了使用壽命；

5、殼程介質縱向流動，減少了管子振動，有效地降低了因管束振動引起的換熱管早期破壞；

空心環支撐菱形翅片管換熱器的套用範圍

採用碳鋼材料製造的菱形翅片管，可廣泛套用於石油、化工、動力等行業的各種殼程有冷凝相變或殼程以對流傳熱為主的各類液-液，氣-液，氣-氣換熱器。只要殼側介質比較乾淨、無固體顆粒、無膠質，均可採用菱形翅片換熱器，或以菱形翅片管換熱器替代光管換熱器，提高傳熱效率。

在滿足菱形翅片管使用工況要求的前提下，各種規格、形式的普通換熱器均可採用菱形翅片管作為換熱元件，以空心環支撐板作支撐組件，從而形成空心環支撐菱形翅片管式高效換熱器。

展望

菱形翅片管的三維翅片對油冷器內的對流傳熱和油冷凝器的冷凝傳熱都有較好的強化效果。菱形翅片管既解決了現有鋼製周向連續翅片管( 如螺紋翅片管) 存在的翅片傳熱強化效果欠佳,未能充分發揮有效傳熱面積的傳熱強化作用的問題, 又克服了銅( 或鋁) 制周向非連續翅片管( 如花瓣形翅片管) 存在的金屬材料較貴, 在工業中套用局限性較大, 不利於在工業中普遍推廣套用的缺點, 套用於石油化工行業將發揮較好的節能降耗作用。