换热器单侧换热系数分离方法研究

换热器单侧换热系数分离方法研究

邬玉峰

德默菲换热器（平湖）有限公司，浙江省嘉兴市，314000

摘要：因环境保护、工艺要求、能源危机和市场需求，各种新型换热器层出不穷，这些新型换热器在内部宏观和微观结构、换热介质以及设备材质方面与传统管壳式换热器均存在较大差异，原热工设计方法均已不再适用，需要设计新的热工试验来测定其实际换热性能，拟合验证新的热工设计方法。

关键词：换热器；单侧换热系数；分离方法

引言

换热器是用于两种或多种存在温差的介质之间进行热量交换的设备，在工业生产领域，换热器的主要用途是将能量从高温介质传递到低温介质，使介质温度达到工艺系统设计所需的指标，以满足工艺生产的特定需求。

1试验方案

1.1试验装置及测试方法

依据动态浸渍法搭建换热器排水试验台,试验台的主体由2个亚克力材质的水箱构成,水箱底部互相连通,构成一个简单的连通器系统。其中:敞口的箱体为测试水箱,上端封闭的箱体为辅助水箱。换热器样件悬挂在测试水箱内,测试水箱的上方安装高精度电子秤,用于监测换热器在排水过程中的实时质量。辅助水箱的上部设有氮气进出口管,进气管和排气管均与电磁阀连接。另外,测试水箱的侧壁安装了2个检测测试水箱内部液位的浮球开关,其中位于上部的第一浮球开关用于防止测试水箱内的蒸馏水溢出,位于下部的第二浮球开关用于监测电子秤计重的起始时间。在安装时,换热器样件的下沿与第二浮球开关的检测水平平齐。换热器排水测试装置试验过程如下:首先在水箱内注入一定容量的蒸馏水,试验时打开进气电磁阀使高压氮气进入辅助水箱,推动测试水箱的液位升高至第一浮球开关检测水平,此时进气阀自动关闭。静置30s使换热器的表面充分浸润,开启排气电磁阀,使测试水箱的液位迅速降低。液位降低至第二浮球开关检测水平后,电子秤开始测量换热器及其表面残留水的质量。当换热器及表面残留水的质量不再变化时,停止读取数据。上述过程记为一个测试周期。

1.2测试样品

为了提升低温制热工况下的耐霜性能,空调器室外机换热器一般采用波纹翅片;基于强化传热的考虑,室内机换热器一般采用裂隙翅片。翅片间距是换热器设计的重要参数,对于ϕ7mm换热器,常规波纹片的翅片间距为1.4mm,裂隙片间距一般为1.3~1.8mm。翅片宽度对换热器的排水或融霜性能具有重要影响,室外机换热器一般采用宽翅片(17~21mm),室内机换热器一般采用窄翅片(12~15mm)。涂层对换热器的排水性能也有较大影响,笔者所测样件统一选用常规的蓝色亲水铝箔,依据GB/T22638.9—2016《铝箔试验方法第9部分:亲水性的检测》的测试方法,测得其表面涂层的干湿循环亲水角为22°。

2热管耦合发电机整体设计

2.1热管耦合自由活塞斯特林发电机结构

热管耦合自由活塞斯特林发电机由实现热声转换的发动机与声电转换的直线电机两部分组成。其中发动机侧需要实现热管与发动机加热器的结构与热耦合，其中热管有柱形直热管（亦可大角度弯折）与异形热管两种。其中柱形直热管更为成熟，与自由活塞斯特林的耦合方式包括热头横截面插入与轴向插入式两种。但常规耦合受限于发动机热头在横截面与轴向长度上的过度紧凑，使得热管冷凝段长度与发动机的尺寸适配性较差，只能用于低功率匹配，对于高功率、紧凑型发动机结构的应用存在限制。异形集成式热管加热器能实现发动机与热管之间的高效耦合，发电机功率可达几十千瓦。但其热管结构与发动机的承压壁集成，异形热管具有显著结构依赖特点，通用性差，结构复杂，工艺要求高，目前尚不成熟。针对以上问题，本文设计出一种高效轴向直热管自由活塞斯特林发电机结构，通过降低加热器孔隙率与降低系统工作频率，提高加热器内工质位移幅度，从而有效增长加热器长度，即增长热管冷凝段长度。经设计优化后的换热器结构参数为：翅片式高温加热器长度为250mm，流道宽度为1.3mm，流道高度为10mm，翅片平均厚度为7.986mm，流道数为108个，孔隙率0.046；回热器长度为52mm，采用丝绵填充，孔隙率为0.897；室温换热器为管壳式，长度为70mm，管径2mm，孔隙率0.08，流道个数为768个。

2.2整机性能参数

热管耦合发电机整机优化后的额定工况性能参数额定设计发电功率为10.77kW，对应加热器吸热量为30kW，冷却器排热量约为19kW。发动机侧冷却器、回热器与加热器核心段的压力、体积流率波动幅值分布，声功、声阻抗相位分布，为适应热管冷凝段长度，加热器长度250mm，可见加热器内明显的压力幅值下降与声功降低，即加长的换热器明显增加了声功损失。基于以上热管耦合发电机结构与发动机核心部件额定工况，本文以冷却器、回热器与加热器组成的核心单元为研究对象，耦合热声转换，重点分析加热器与冷却器内的流动与换热特性。

3管壳式换热器概述

管壳式换热器又称为列管式换热器。属于在管壳中封闭管束壁面是传热面的间壁式换热器。这种换热器的优势为结构简单、造价低廉、流通截面比较宽、方便清洗。缺点是传热系数相对较差、体型庞大。管壳式换热器可以采用任何材料进行制造，并能够在高温和高压环境下使用，属于应用广泛的类型。管壳式换热器的类型有固定管板式汽－水换热器、波皮型管壳式汽－水换热器、分段式水－水换热器。管壳式换热器的控制参数包括加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。管壳式换热器主要组成部分有壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等。壳体的形状一般是圆筒形，在壳内安装管束，将管束的两端在管板上进行固定。换热的冷热有两种流体，分别在管内进行流动的流体称为管程流体；在管外流动的流体称为壳程流体。在壳体内安装一定数量的挡板可以在一定程度上使管外流体的传热分系数得以提高。挡板能够使壳程流体的速度有所提高，使得流体能够按照一定的路程以横向运行的方式路过管束，从而使流体湍流的速度有所增加。在管板上，换热管以等边三角形或正方形的方式进行排列。等边三角形排列的方式相对比较紧致，管外流体湍动程度比较高，传热分系数相对较大，而正方形排列顺序便于管外清洗，对于容易结垢的流体比较适用。管程指的是流体每次经过管束的过程。壳程指的是每次经过壳体的过程。在两端管箱之内安装隔板，以此提高管内流体的速度。将所有的管子分成多个组。流体每次只能通过一部分的管子，这样可以在管束中来回往返数次，这样的过程成为多管程。同理，在壳体之内设置纵向的挡板，可以使管外流速有所提高，使得流体在壳体空间能够经过多次，这种过程称为多壳程。多管程和多壳程要相互配合使用。管内外流体的温度会有所不同，换热器的壳体与管束的温度也会不相同。如果两种温度的差额比较大，换热器内会形成很大的热应力，进而使管子弯曲、断裂，还有可能在管板上出现拉脱现象。所以，管束与壳体之间的温度差额如果超过50℃时，要采取适当的处理方式及补偿措施，以此对热应力进行消除或减少。根据采取的补偿措施，管壳式换热器分为以下几种类型。固体管板式换热器。管束两端的管板和壳体连接在一起，形成一个整体，结构相对简单。适用于冷热流体温度差，壳程不适用机械清洗过程的换热操作。当温度差额比较大，但是壳程的压力低的时候，可以在壳体上面设置具有弹性功能的补偿圈，以此在一定程度上使热应力有所减低。浮头式换热器。管束的一端管板可以不受约束地进行浮动，热应力全部被消除了；并且全部管束可以从壳体内取出来，非常方便地进行机械清洗和进行检修。浮头式换热器的应用比较广泛，但是结构相对复杂，造价高昂。U型管式换热器。每根换热管都是可以弯成U形，两端同时固定在同一管板的上下两区依托于管箱内的隔板，将其分成进出口两个室。这种换热器彻底将热应力消除了，相较于浮头式更加简洁，但是，管程非常难清洗。涡流热膜换热器。这种技术采用的是最新的涡流热膜传热技术。以改变流体运动状态为主，以此使传热效果有所增加。涡流管表面有介质经过时，会对管子表面进行强力的冲刷，以此对换热效率有所提高。这种结构具有耐腐蚀性、耐高温性、耐高压性以及防结垢的功能。管壳式换热器的特点：具有高效节能性；全部都是不锈钢制作，使用生命周期比较长。将层流方式转变为湍流方式，使换热效率有所提升，热阻在一定程度上有所减少。换热速度相对比较快，具有耐高温性和耐高压性。结构比较紧致，体型比较小，重量轻，安装非常快捷，在一定程度上使土建资源有所节省。设计相对灵活，规格比较齐全，使用具有针对性，节约资金成本。应用条件相对较宽广，能够适应压力大、温度范围以及交换多种介质。维修费用低廉，操作简便。清垢的时间比较长，易于清洗。采用的是纳米热膜技术，使传热系数明显升高。应用领域比较广泛，可以应用在热电、厂矿、石油化工、城市集中供热、食品医药、能源电子、机械轻工等。传热管在外表面使用的是轧制翅片的铜管，导热系数比较高，换热的面积比较大。导流板将壳程流体进行引导，使换热器内的流动呈现出折线形连续性，根据流速对导流板间距进行调节，结构比较坚固，可以使流量或者是超大流量、脉动频率比较高的壳程流体的换热需求进行满足。壳体流体是油液的时候，黏度低和比较容易清洁的油液换热比较适用。

4对于长期损伤模式的预防措施

4.1腐蚀失效的预防

腐蚀失效产生的原因主要来自于球罐的内外部。球罐内部主要受到二氧化碳介质的腐蚀；而外部主要来自于空气、雨水等环境因素的腐蚀，这两种腐蚀失效导致球罐的壳体随着使用年限的增加而逐渐减薄，最终导致厚度无法满足强度要求。因此，为有效预防此类失效的发生，设计时通过考虑球罐的腐蚀裕量以及保冷等措施来加以预防。

4.2基础不均匀沉降的预防

由于本球罐内储存的是液态二氧化碳，其总重量较大，考虑到场地土地基承载能力存在差异，因此在球罐设计要充分考虑基础沉降问题。不仅在充、放液过程中５次测量基础的沉降，同时需要限制相邻支柱基础沉降差；对于超过沉降差时，可以通过调整垫片的数量来进行补偿。

4.3对于疲劳失效模式的预防措施

对于球罐而言，其在设计时应充分考虑因多次充放介质引起罐体承受交变载荷。因此，在选择设计标准时，应考虑选择常规设计标准还是分析设计标准。对于低温工况且存在疲劳失效的球罐而言，设计时考虑降低不连续区域的应力，控制因低温和疲劳失效产生的风险。

4.4换热器拓扑等效

为实现对换热器内流动与换热特征的系统分析，同时简化计算过程，将三维流体计算区域通过拓扑等效简化为二维平面结构。加热器与冷却器均为窄缝结构，其相邻的部件为回热器与空腔（加热器侧连接膨胀腔，冷却器侧连接压缩腔），回热器为多孔介质结构，具有显著的均匀化流动效果。因此，回热器与冷却器的拓扑对应性即可解耦，即将加热器与冷却器窄缝简化为二维结构时，其与回热器的结构匹配只需要满足界面上的孔隙率对应即可；由于换热器孔隙率相对于回热器与空腔足够小，因此忽略换热器窄缝三维分布对回热器与空腔内射流与二维射流的差异。

结语

进一步明确了热声热机换热器特性的显著空间分布特征以及工况依赖特征，这些特征在热声换热器中具有相似性和普遍性，但是对于特征的量化又因其空间与工况敏感性而难以像稳态流动那样获得通用的本构方程进行表征。因而热声热机换热器需要针对具体设计进行特性分析。

参考文献

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