套管换热器传热过程强化实验系统的研制

套管换热器传热过程强化实验系统的研制
任秀宏;王雨;彭金明
【摘要】多套管式换热器结构简单,清洗、维修方便,易实现加工制作,提出多套管式换热器对套管换热器进行传热强化.在设定条件下编写程序,对多套管换热器进行优化设计,计算显示在相同条件下多套管式换热器与单套管换热器相比传热系数有较大的提高.系统中设置回热器,有效节约能源.该系统在有余热、废热可以利用的场合节能效果更加显著.
【期刊名称】《制冷与空调（四川）》
【年(卷),期】2014(028)004
【总页数】4页(P469-471,478)
【关键词】套管式换热器;传热系数;热回收;节能
【作者】任秀宏;王雨;彭金明
【作者单位】河南科技大学土木工程学院洛阳 471023;河南科技大学土木工程学院洛阳 471023;河南科技大学土木工程学院洛阳 471023
【正文语种】中文
【中图分类】TB657.5
换热器作为换热设备，广泛应用于暖通空调、动力、冶金、石油、化工等各个工业领域中。

目前，能源危机越来越突出，开发新能源及余热回收变得越发重要，因此换热器通常都要求采用有效的强化传热措施，提高传热量以减小换热器的体积和重量；减小换热器的阻力，以减小换热器的动力消耗。

可以说，研究各种传热过程的
强化问题，设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务。

强化传热技术的应用不但节能、环保，而且节约了投资和运营成本，因此换热器的强化传热技术受到广泛重视。

目前套管换热器的强化传热措施主要是通过强化流体中微团混合，达到强化传热的目的。

使流体产生旋转的设备可分为衰减性旋流器和非衰减性旋流器。

衰减性旋流器是将旋流器放置在流道的进口，在旋流器的出口处旋流强度最大，沿流体流动方向，由于粘性耗散，旋流强度逐渐衰减，衰减性旋流器一般适用于短管换热器，主要包括导叶式旋流器、切向引入式旋流器等；非衰减性旋流器则把旋流装置沿换热管全程安放，使流体旋流强度始终保持不变，如螺旋肋片、扭带插入物等，可以加强管内流体的径向混合，这在国内外的文献中有过论述，国外的制造厂也有过应用。

衰减性旋流器与非衰减性旋流器相比，具有安装维修方便、流动阻力小等优点，但强化效果不是很好。

非衰减性旋流器虽能提高换热系数，但阻力降过大，造成运行费用的显著增加，且清洗、拆装比较困难。

上述两种传热强化装置使换热器结构复杂，加工、制造困难[1-5]。

综上所述提出多管套管式换热器，它结构简单、新颖，是在大尺寸的外管内部布置多根内管所构成的换热设备，与单根内管的套管式换热器相比，介质流量大幅增加，单位长度的换热面积也增加，减少了流动阻力降。

其基本单元往往做成数米长的一段直管，通过这些基本单元的串联或并联，可以方便地构成多流程或流道的流动型式，以适应各种换热要求，且清洗、维修方便，易实现实验室自行加工制作。

鉴于上述优点，多管套管式换热器可望在制冷空调领域有着广泛应用前景。

1.1 实验原理
为验证多套管式换热器换热性能，拟采用图1套管换热器传热过程强化实验原理
图所示构建实验系统，图中1、2、3、4、5、6、7为温度测点；8、9、10、11
为压力测点。

水箱内设置电加热器，测量水温的热电偶布置于水箱内，电加热器和
热电偶均与温控器相连。

通过温控器设定所需温度，当热电偶测温与设定温度不同时，温控器对加热器实行启停控制从而实现对热水供水温度的控制。

多套管式换热器管内走冷水，管外走热水，为了减小加热器电耗，系统中还设置了回热器。

1.2 实验台设计
实验台多套管式换热器换热量拟定为500W，外管采用铜管Φ19×1.0，内管采用
铜管Φ6×0.6，内管根数3，假设冷热水进出口温度，在VC++环境下编写程序，计算套管换热器传热系数及确定套管换热器的管长[6-14]。

当热水进出口温度分别设定为80℃、50℃，冷水进口温度为25℃时，计算传热
系数及套管长度随设定冷水出口温度变化曲线如图2所示，从图中可以看出，随
着设定冷水出口温度增加，计算传热系数逐渐增大，而所需套管长度逐渐减小，但冷水出口温度超过60℃，传热系数增加很缓慢，套管长度也变化很小，因此在该
工况下取冷水出口温度为60℃时的套管换热器长度为最终的设计长度。

当冷水进出口温度设定分别为25℃、60℃，热水进口温度为80℃时，计算传热
系数及套管长度随设定热水出口温度变化曲线如图3所示，从图中可以看出，随
着设定热水出口温度升高，传热系数逐渐增大，所需套管长度逐渐增大，但是当出口温度超过50℃，传热系数增加幅度很小，因此单纯为提高很小的传热系数增加
换热面积不可取。

取该工况下热水出口温度为50℃时的套管换热器长度为最终的
设计长度。

通过以上分析，取冷水进出口温度分别为25℃、60℃，热水进出口温度为80℃、50℃为设计温度，计算出套管换热器传热系数为271.0W/(m2·K)，所需长度为
1.0m。

据上述计算设计实验台，该实验台长1300mm，宽600m，高800m，水箱尺寸300mm× 200mm×200mm。

测温用T型热电偶7个[15]，温度控制器1个，控温精度±0.1℃。

热水管路采用Φ9.5×0.7的铜管，共需长度约为3.2m；冷水管道采用Φ9.5×0.7
的铜管，共需长度约为3.1m。

多套管式换热器采用铜管Φ19×1.0，共需长度约
为1.0m；内管Φ6×0.6，共需长度约为3.0m。

热回收器也采用铜管，外管
Φ16×0.75，共需长度约为0.25m；内管Φ9.5×0.7，共需长度约为0.25m。

实验台效果图如图 4所示。

图中热水管已标识，其余为冷水管，各换热器进出口
处均需布置温度测点，用于测量管道内水温。

多套管式换热器进出口管道上装设压力计，测量其进出口压力，计算其沿管道的阻力降。

最上面为控制面板，分别装有水泵开关、加热器开关、温度控制器。

实验台多套管式换热器换热量拟定为500W，外管采用铜管Φ19×1.0，内管采用
铜管Φ6×0.6，内管根数3，冷水进出口温度分别为25℃、60℃，热水进出口温
度为80℃、50℃，在VC++环境下编写程序，计算得出多套管式套管换热器总的传热系数为271.0W/(m2·K)；而在相同条件下，单套管换热器总的传热系数为170.8W/(m2·K)。

由计算可知比单套管换热器传热系数提高了约为58.7%。

另外由计算可知在设定条件下热回收器的回收热量为71.5W，总换热量为500W，回收百分比为14.3%。

该系统应用多套管式换热器对套管换热器传热过程进行强化，提高传热系数，增强换热器换热效果。

另外在该系统中引入回热器，可以减小加热器的电能消耗，是系统节能的有效措施。

通过对多套管式换热器换热效果的分析，得出在相同条件下其换热效果相比单套管换热器大大提高，该系统在有废热或废热可以利用的场合更能突显其节能效果，该结论为多套管式换热器在制冷空调领域中的广泛应用提供了有力的理论支持。

多套管式换热器在实际应用中的换热性能尚需通过实验进行验证，下一步应搭建实验台进行系统测试，通过测试数据分析其换热性能。

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