叉排和顺排套片式换热器传热性能和管外空气流动阻力性能对比

叉排和顺排套片式换热器传热性能和管外空气流动阻力性能对比

目前,国内一些行业(如炼油、化工、电力等)所采用的空冷器正朝高效、紧凑的方向发展。这些行业原来所采用的空冷器多为绕片式或双金属轧片式,现在正逐渐采用更为高效、紧凑的套片式换热器(穿片式换热器、串片式换热器)。套片式换热器的传热性能通常优于双金属轧片式和绕片式换热器,这正是一些行业用套片式换热器取代原换热器的主要原因。然而,套片式换热器的管外流体流动阻力也比双金属轧片式和绕片式换热器要大,在相同的风机驱动下,管外流体流量会减少,平均换热温差会减小,从而影响工艺参数及换热量。在一些应用场合,可能会产生得不偿失的结果。

解决上述问题的方法之一可以是采用顺排结构的套片式换热器。目前各种应用场合下的套片式换热器几乎都采用叉排结构方式。由于顺排结构的流动阻力一般要低于叉排结构,而套片式的流动阻力又要高于轧片式或绕片式,因而采用顺排结构的套片式换热器与采用叉排结构的双金属轧片式和绕片式换热器相比,在管间距相同的前提下,管外流体流动阻力将会相差不多,甚至可能降低,从而不会影响到管外流体的流量和换热温差。尽管顺排结构的传热性能与叉排相比可能会有所下降,但与阻力下降的幅度相比,传热性能的下降幅度较小。因为套片式的传热本身强于轧片或绕片,因而顺排套片式换热器的传热强度不大会弱于叉排的轧片管或绕片管。究竟效果如何,值得进行研究,特别是试验研究。

目前对套片式换热器的研究基本都针对叉排结构形式[1-3],对顺排换热器的研究鲜见报道。从Wong[4]给出的光管管束的管外对流换热和流动阻力的计算式看,顺排的换热系数与叉排相比平均低5%,流动阻力平均低50%。可见顺排与叉排相比,管外换热的下降比流动阻力的下降幅度小很多。前苏联的动力技术物理研究所[5]对叉排和顺排的圆翅片管束的换热和阻力性能进行了研究,结果表明,顺排与叉排相比,阻力低45%左右,换热性能低20%左右。Kays和London [6] 研究了顺排和叉排的套片管管束换热性能,但所研究的顺排的套片管管束的管子是扁平管,圆管的套片管管束只研究叉排形式,而未研究顺排形式。从Kays和London关于扁平管的顺排和叉排(相同管间距)套片管管束的研究结果看,顺排的阻力低40%左右,换热低10%左右。上述的研究结果表明,相同管间距下顺排管束的换热强度固然比叉排低,但管外流动阻力的降低幅度要大得多。尽管套片管的特性与光管和翅片管不同,圆管与扁平管也不一样,但从定性上来看,应该是一致的。至于定量的数据,这正是要被研究的内容。

综上所述,顺排与叉排相比,换热强度低得不多,阻力却下降很多,因而在某些对阻力有限制的场合,顺排是值得考虑的一种排列方式。本次研究主要采用试验研究的方法,分别对顺排和叉排的两个套片式换热器试件进行了试验。

换热器的结构尺寸及试验方法

试验研究主要针对用于空气冷却器的圆管套片换热器(穿片换热器、串片换热器)以叉排和顺排形式排列管束时的传热性能和管外空气流动阻力性能进行对比。

为确定试验的片型,先选用了一些炼油行业应用比较典型的又排套片片型,如图1所示。为了与之对比,一种专门用于此次对比试验的顺排套片片型被开发出来,如图2所示。

用该两种片型制作的叉排和顺排的试件简图示于图3和图4。

从图1和图2可以看到:顺排片型的纵向管间距(42mm)设计与叉排片型相同,这样当两者管排数相同时,空气流动方向的外形尺寸也基本相同,这便于两者之间的空气流动阻力比较。顺排的横向管间距设计为42mm,与纵向管间距相同,这是参照大多数顺排排列方式而确定的。顺排片型的横向外形尺寸(126mm)小于叉排片型(193mm),片中为6个管孔,小于叉排的8个管孔,这是为了实际产品中安排管子的排数和列数更加方便。两个试件的翅片片距为2.5mm,片厚为0.2mm,翅片材料为铝.基管材料为碳钢。基管采用碳钢可以降低产品成本,增加对管内流体的承压能力,但对胀接工艺提出了更高的要求。

试验在吸风式风洞试验台上进行,试验系统简图如图5所示。试验时,试件的管内通热水,管外空气横掠。空气进、出试验段的温度由布置在试验段前后流通截面上的热电偶堆测量,空气的流量由毕托管测量。在试件前后的风道上装有测压点,测量两处的静压压差,即可得到空气流动阻力。

试验过程中,保持水的流速和定性温度基本不变,即保持水侧的对流换热热阻基本不变,调整、选定空气的流速,得到一系列的试验工况点的试验数据。对于结构不同的两个试件的传热性能的比较,选取传热系数或对流换热系数作为比较参数可能会存在偏差,因为这两个参数的数值与所选取的专热面积有关,而结构不同的两个试件往往很难找到合理的计算。

更多换热器信息，请访问佛山领龙科技有限公司的网站 https://www.heatexchangercn.com/ 或者通过邮件联系我们 info@heatexchangercn.com 。