螺旋板式换热器的设计【含CAD图纸、说明书】
一 个 具 有 新 的 传 热 特 性 的 螺 旋 翅 片 管 换 热 器摘要 在本研究中,热传递特性在干燥的表面上的一个新的在不同的热条件下换热器器,即一个螺旋翅片管换热器器。实验研究,SHI 实验段,这是一个螺旋处以管式的换热器,由一个外壳和一个螺旋线圈单元。螺旋线圈单元由四个同心螺旋盘绕管不同的直径组成,每一个通过弯曲管构成成螺旋线圈的直铜管。铝压接螺旋翅片厚度为 0.5mm,外径管周长 28.25 毫米。在鳍的边缘内径波纹。周围的空气被用作而热水用于工作流体在壳侧管侧,完成测试运行的空气质量流率介于 0.04 和 0.13 千克/秒。水流量率范围是0.2和 0.4 千克/秒。是在 40和 50之间的水温条件的影响两个工作流体流过的热热交换器的传热系数进行的研究。在长期的空气的传热系数考尔 j 数目成正比于入口水温和水的质量流率。该热交换器为提高水的质量流量往往会增加流速,也稍微增加而增加入口水的温度。 标志目录A 区域( )2mCp 比热kJ/(公斤 K)D 管直径(m)D 曲度的直径(m)Dc 卷的直径(m)f 摩擦因子F 修正系数G 量流量公斤(m2 s)H 传热系数与(m2 K)I 焓(kJ/kg)Io 修改过的贝赛尔第一种类的作用解答,定义 第一种类的 0 种I1 修改过的贝赛尔作用解答,定义 第二种类的 1 种J Colburn j 因素 Ko 修改过的贝赛尔作用解答,定义 第二种类的 0种K1 修改过的贝赛尔作用解答,定义 第二种类的 1 种K 导热性与(m K)L 管长度(m)M 质量流率(kg/s)螺线卷(m) Pr Prandtl 数字Q 热传递率(w)R 管的半径(m)Nu Nusselt数字 P 沥青关于雷诺数T 温度( C)U 总传热系数与(m2 K)V 平均速度(m/s)D 厚度(m)G 飞翅有效率是整体表面有效率L 动力粘度(Pa s)q 密度(kg/m3)e 有效率Subscriptsa 空气ave 平均b 基本的c 螺线卷f 飞翅I 里面In 在入口l 平均温差LM 日志平均温差Max 最大值min 极小值o 外部out 出口wall 墙壁表面t T 形管tot 共计w 水1 介绍由于高温传递系数和更小的空间需要在几种热传递应用和平直的管相比,弯曲的管是最用途广泛的管。一支螺线卷起的管是用于产业品种的其中一个弯曲管的知名最广的类型。对螺线卷起的管的分析和实验性地学习与应用如Dravid 等。1在层流热传递数字上调查了次要流程的作用在螺旋管在充分广阔的区域和在热量入口区域,被预言的结果是在他们重叠的范围确认了从实验获得的那些重要参数如 Patankar 等。 2在开放在摩擦因子和热传递认识到其数字和螺管的发展中的作用。从实验获得的温度为轴向地一致的热流事例以演算得到的一个等温模型。在以上提到的模型,扭力的作用和 Prandtl 数字未被考虑到。如杨和 Ebadian 等3在一个短的圆剖面螺旋管以 k-e 模型分析充分发生动荡对换热流与有限沥青面积的关系。结果在横断面上表示,当卷的沥青增加了,横截面内的温度分布是不对称的。在层流的情况下,增加普朗特数会减少扭转的了热传递。此外,我们发现其间距随着流量的增加,将增强热流传热效果。后来,林和 Ebadian 4采用标准 k-E 模型研究三维湍流发展对流换热螺旋管道有限间距,曲率比和雷诺数的影响的有效热导率和温度场,局部和平均努塞尔数进行了研究讨论。从模型得到的结果分别为在现有的实验数据吻合良好。如鑫等人5实验研究了单相和二相流的压降在环形螺旋管道。郭等人6进行实验研究蒸了汽 - 水的振荡在一个均匀的二相流螺旋加热管。研究表明,重力振荡边界上有一个小的影响。他们也提出了新的方法来消除压力下降的振荡。菊等人7弯曲半径小螺旋盘管。公式推导单相流结构的雷诺数,和获得了单相和二相流的摩擦系数。阿里8提出的压降相关性流体流经定期螺旋盘管。广义压降中相关的欧拉数,雷诺数和几何组。赵等人9研究了压力降和沸腾传热特性的水蒸汽两相流在小型卧式螺旋连续油管蒸汽发生器。研究表明,两者成核机理和连接机构重要的强制对流沸腾传热在小螺旋盘绕管的全方位系数。库马尔和 Nigam 10介绍了一种新设备在离心力的作用下,通过改变反转螺旋管的方向。得到流场和温度等数据,其特征在于使用计算流体动力学软件。结果从本研究获得的可用于模拟弯管发生的流体流动。Rennie 和 Raghavan 11进行了双重管子螺旋线热转换器的一项实验性研究。Parallelflow 与.Nusselt 进行了逆流程配置设备中得到的数据相比较比较.Cioncolini 和 Santini 12在螺线管实验学习从层流与湍流。用不同的卷直径比与管直径相比较,相互作用从中获得的摩擦因子被分析。Cui13提出了R134a 的热传递交互作用在煮沸在流程期间有螺线管讨论。Wongwises 和Polsongkram 14在光滑的螺线卷起的同心管在在蒸发期间的管热转换器里面,调查了 HFC- 134a 两相传热系数 和降压。他们在一支螺旋的同心管也使用同一个实验性设定揭露热传递和 HFC134a 降压在管热转换器中的影响15。结果从当前实验与从平直的管获得的那些比较性报告。提出了新的交互作用为蒸发与结露传热系数和降压在实际中的应用。虽然用一定数量的纸是可以得到的在螺旋管,但是它可以得到,在发现的理论和实验性调查中,描述以集中于热传递和流程的研究在一支唯一螺旋面的管或在同心双重管螺线卷,从壳和螺线被盘绕的管所制造的热转换器的热传递和流程的特征。在本研究中,主要关心的是实验性学习热传递的特征,即螺旋的热转换器的一个新型的特征,有鳍管热转换器在 drysurface 之下适应。 各种各样的相关的参量之间的关系被研究探索。在之前从未发现,现在提出实验性结果。2 实验性用具和方法图 1 显示实验性用具的一张概要图。系统的主要成份包括测试部分、热水圈、空气圈和数据收集系统。水和空气当工作流体使用。测试部分是螺旋的翅片管热转换器。在加法对圈组分,在电路上,仪器温度和所有流体的流速的测量和控制安装在首要的节点。打开类似的风洞用于模拟气流通过热转换器。通道为 300 毫米长,直径为12 m。输送管墙壁绝缘与 6.4 毫米 thickAeroflex 标准板料制成。 热转换器的进入的和退出的气温由类似的延伸在气流的空气通道里面的 T 铜康铜热电偶测量。 1 毫米直径的热电偶探头顺时针位于在不同的四个位置的同一个横断面上,60 cm 逆流热转换器入口的四个位置在 50 cm 热转换器的出口。闭环热水包括一个 0.3 m3 储存箱,一台调整控制电压的电暖气,绞拌器,并且在储存箱里面有一支冷却旋管。R22 作为冷冻剂使用为使水变冷。一台离心吹风机释放空气入通道和通过直挺器,导叶,测试部分,然后被释放给大气。直挺器的目的是避免空气的畸变离心吹风机的速度是由变换器控制的。Fig. 1 实验性用具 1 张概要图空气从管口获得,流速是一定的。在调整水的温度达到期望水平之后,热水抽到储存箱外面,通过过滤器,流量计,测试部分,然后返回到储存箱。旁路是通过过量水的循环使用回到储水箱达到最低水位的流速实验。水的流速由一支流量计测量,在 0-10 GPM 的范围。如所显示。 2.热转换器包括一根钢毛管和一个螺旋翅片管单位。螺线盘绕单位包括螺旋的有鳍的铜管四卷。每支管通过弯曲一个平直的 9.4 毫米外部直径的铜管制造的七层螺线卷。每个螺线盘绕直径分别是 115, 205, 285 和 365 毫米,铝的飞翅以 0.5 毫米和 28.25 毫米外直径的厚度在管附近安装维螺线。飞翅边缘在内在直径是波纹状的。用于本研究的螺旋翅片管为单位的相片显示在上图。3.飞翅概要图也显示在上图。4. 每卷的水的入口和出口末端到连接到水平的多头的用 28.5 毫米外面直径的管。铜-铜热电偶安装在第一,第四和第七层,从最高的层数起记每卷,其中用二对热电偶测量水温和墙壁温度。安装了热电偶显示在如图位置。2. 水温是用被在管里面的 1 毫米直径探针测量的,在水流量的测量亦如此。 热电偶在一个小孔被焊接的 0.5 毫米深入管墙壁表面,固定与特别胶浆被应用于管材外表面。以这个方法的热电偶没有由可变的温度偏心。热转换器的维度在表 1 被列出。在实验中,整体能量平衡估计所有热耗或获取的程度从中围拢。满足能量衡的数据适应; |Qw - Qa|/Qave 少于 0.05,用于分析是。变浓热转学比例,Qave,空气的热传递率、Qa 热传递率,Qw 平均热传递率。试验做了以空气和热水测试部分的不同的流速。当空气流动率,入口热水温度都保持恒定时,热水流速随的速度增加而增加。使用温度调解器控制的电暖气可以调整热水温度以达到期望水平。在所有数据被记录了之前,系统允许接近稳定。试验条件的范围在这其中测量的研究和不确定值分别在表 2 和 3 被测量。表 1 螺旋翅片管热转换器的维度参量 大小外直径管(毫米) 9.4内直径管(毫米) 8.6直径 115.0直径螺旋卷 2 (毫米) 205.5直径螺旋卷 3 (毫米) 285.0直径螺旋卷 4 (毫米) 365.0螺线簧圈节距(毫米) 16.38壳直径(毫米) 430卷轮的数字 7螺线卷的数字 4每卷之间的距离(毫米) 42壳的长度(毫米) 355进气口的孔直径 (毫米) 298飞翅的每米数值 500飞翅高度(毫米) 18.64飞翅外部直径(毫米) 28.25飞翅高度(毫米) 2飞翅厚度(毫米) 0.5表 2 试验条件可变物 范围入口空气温度 四周入口水温度(k) 313323 (4050_C)空气流量率(kg/s) 0.040.13水质量流率(kg/s) 0.200.40测量表 3 不确定性仪器 准确性(%) 不确定性(%)管口米(空气速度 m/s) 2.0 0.23 转子流量计(水质量流率 kg/s) 0.2 0.003热电偶 T 类型, 0.1 0.03 数据列表(k) 0.04湿气发射机 0.5 0.223 数据为了确定热传递典型的热转换器从被记录数据的稳定情况在每次测验运行期间,修正系数对数的方法运用于温度确定 UA。可以给空气的热传递率那是,空气流量率是入口空气的焓,是出口空气的焓。可以给的空气的热传递率那是水的质量流率,控制点,w 是水,Tw 比热,并且 Tw,分别为入口和出口水的温度。用于演算的热传递的总率从空气边和海滨平均值空气边传热系数热转换器从整体热传递关系是恒定的那总传热系数可以被确定为那对数意味温度区别为且 F 是修正系数。管边传热系数,从 Gnielinski semi-empirical 交互作用得到的 Nusselt 数字被评估16为。Prandtl 数值,Pr,被评估为可变的温度,并且被评估为墙壁温度。因素被介入原始的等式,由 Schmidt 17考虑到有形的温度的依赖性。为湍流在螺旋管摩擦因子18那是曲度,D 的直径,与卷直径 Dc 和高度,P 有关,螺线卷动力粘度,是水在绝对水温,且动力粘度,是在墙壁温度。雷诺兹数值计算从那 是水密度, 是水动力粘度, d 是螺线卷(8.6 毫米)的内直径,且 是平均速度,水的螺线卷。整体表面的有效率, ,被定义为有效热调动区域比与变浓热调动区域,可以被飞翅有效率 、飞翅表面 总表面积, ,如以下:在 中, 是基本的区域。飞翅有效率 ,取决于提议的方法。19如下是从管的中心的到飞翅表面的距离,是从管的中心的到飞翅内侧的距离,是第一种类,修改过的贝赛尔作用解答,0,是第一种类,修改过的贝赛尔作用解答,1,是第二种类,修改过的贝赛尔作用解答,0,是第二种类,修改过的贝赛尔作用解答,1,是从 其中 是飞翅厚度和 是飞翅的导热性。要获得空气的传热系数, ,一个是解决 。 (4)(12). 热转换器的空气的传递特征如下被提出用 Colburn j 因素如:用于有效率评估螺线卷起的热转换器的效果:4 结果和讨论图 5 在显示水温和管墙壁温度在不同的位置在和 在上图显示的卷数字,用于辨认被考虑的卷,即卷第 1 和 4 代表,各自最内层的卷和最外层的卷。水和管墙壁温度被测量在每卷的最高的层数(层数 1)和最低的层数(层数 7)。 热水进入最最低的层数被分离到每卷,沿每卷流动并且流动在最高的层数(层数 1)。空气进入热转换器在壳的上面和中心并且横跨流动在水轴向地流动在热转换器之前在排气口部分,在热转换器的底部。,水温和管墙壁温度总高于预计的同一个位置。在热水流程期间中沿每卷从更低的层数到上层,热水将逐渐转移到空气,导致水和管墙壁温度减退在上层。图 6 显示水温和管墙壁 在层数每螺线卷、 和 = 0.085 kg/s 为另外入口水温 42, 。 它能清楚地被看见水温和管墙壁温度在每卷增加以在入口水温的增量。 他们从内在卷逐渐也减少到外面卷。图 7 显示水温和管墙壁温度在层数每螺线卷 1 的 Tw,在为 0.33, 0.37 kg/s.的水质量流率。应该注意到它,当入口水温,入口气温,空气流量率是常数,并且管墙壁温度以最低水位质量流率相比。图 5 水温的变化和管围住温度在层数 1 和层数 7 数值图 6 水温和管墙壁温度的变化在层数 1 以卷数为不同的入口水温度图 7 水温和管墙壁温度的变化在层数 1 以卷数化为水质量流率图 8 显示水温和管墙壁温度在层数每螺线卷 1 在 Tw,在, 0.071, 0.11 kg/s.的另外空气流量率。 随着空气流量率的增加,水温和管墙壁温度倾向于减少。 然而,它能被看见空气流量率的作用在水温和管墙壁温度是非常低的。图 9 显示出口气温的变化以空气流量率为 Ta,在为入口水温 40,45, 。 在具体入口气温,入口水温,浇灌质量流率和结果得到。 8 空气流量率影响水温,保持热传递率单程与水边相等,当增加时空气流量率是通过减少出口气温。所以,它能清楚地被看见为特定水质量流率、入口水温和入口气温,出口气温倾向于减少以质量流率。另外,以平静的空气质量流率,出口气温在更高的入口水温那横跨空气流量率的范围。图 10 显示在出口气温和空气流量率之间 Ta,在= 32 C, Tw,在= 50 C 为 0.21, 0.25, 0.29, 0.33, 0.37 kg/s.的另外的水质量流率。以平静空气质量流率,出口气温,以水位高质量流率横跨空气流量率。当空气流量率在 Ta,另外入口水温 40, 45, 50 C.,图 11 在出口水温显示的变化。 在上这个图显示的结果对应与那些在数值。 4. 出口水温倾向于轻微地减少在空气流量率的增量。图 8 水的温度和管壁温度的变化在第一层线圈数不同的空气质量流率图 9 出口空气的温度与空气质量流率的变化针对不同的入口水温图 10 出口空气的温度与空气质量流量的变化在不同的水的质量流率图 11 出口水温的变化与空气质量流率在不同的入口水温图 12 与空气质量流量的平均传热率的变化在不同的水的质量流率率图 12 在= 32 C, Tw 显示平均热传递率被反对空气流量率 Ta,在= 45 C 为 0.21, 0.25, 0.29, 0.33, 0.37 kg/s.的水质量流率。热传递率与空气流量率和水质量流率地比例。水质量流率的在热传递率能清楚地看到的更高的空气流量率。图 13 管侧的传热系数与水的变化质量流率不同的入口的水的温度图 13 显示的平均管侧的变化传热系数计算出来的数据获得的与水的质量流率在本实验中各种进水温度。正如预期的那样,随平管侧的传热系数的增大而增加的水的质量流率。在一个给定的水的质量流率,平均管侧的热传递系数较高的高于较低的进口水温。此外,我们的实验结果表明,管侧传热的空气质量流率的影响系数。图 14 与空气的空气侧的传热系数的变化质量流率不同的入口的水的温度图 15 与空气的空气侧的传热系数的变化得不同的水的质量流率的质量流量图 14 和 15 示为不同的空气质量流率的传热系数与入口的水的温度和水的质量流率外端的变化,外侧的传热系数迅速地增加与空气的质量流率。入口的水的温度和水的质量流率,显示出显着的作用,对外侧的传热系数。图 16,17 和 18 显示科尔伯恩 j 数与空气侧雷诺兹数。空气侧的雷诺数计算,REA = qaVaD 的/拉 QA 为空气的密度,la 是空气的动力粘度。两密度和动态粘度的基础上,测得正确的空气温度。 D 是入口部分的热交换器的直径(D = 0.298 米)。 Va 是流动的空气的热量通过入口交换率的平均速度。如图所示,科尔伯恩 因素随空气侧的雷诺数的增加水侧的雷诺数。从图中观察到的水的质量流量和进水温度有重大影响的特点。从该图可以看出,由于空气雷诺数的增加,所有的曲线变得平坦并倾向于接近一个特定的科尔伯恩 j 数。图 16 科尔伯恩因素变化与空气侧雷诺兹数不同的入口水温图 17 科尔伯恩因素的变化与空气侧雷诺兹不同的入口水温图 18 科尔伯恩因素变化与空气侧雷诺兹不同的水的质量流率数图 19 热交换器的变化与空气侧的有效性雷诺数得到的不同的入口的水的温度图 20 热交换器的变化与空气侧的有效性雷诺数得到的不同的水的质量流率图 19,20 显示的空气侧雷诺数的有效性变化。用于估计螺旋换热器的性能是由式确定。(15)。在本研究中使用,在整个范围内的水的质量流量和气团的流速,热容量率,水(MCP)w 是一般高于空气(MCP)。因此,热水的容积率是最低的容量率(MCP)式中的最小值。 (15)。可以清楚地看到,随这个数字的有效性降低,而增加空气侧雷诺数。在一个给定的空气侧的雷诺数,较高的进水温度,水的质量和较高的流速往往导致有效性增加。然而,可以注意到,在一个特定的空气侧雷诺数值,有效性的差异变得相对入口的水的温度较之升高。5 结论本文介绍了一种新型的热传递换热器,即一个螺旋翅片管换热器。热交换器由四个螺旋盘绕翅片铜管,每一个有七个回合。铝周围的铜螺旋卷曲翅片放置管中。相对的有关的实验条件,给出如下结论:管侧空气质量流率没有影响传热系数。入口水温和水的质量流率显示出的效果,如输出侧传热系数。科尔伯恩 j 数和效益是成反比,与空气侧雷诺数成比例,而是水的质量流量和进水温度成正比的。致谢作者 我想表达自己的感谢,为泰国研究基金会(TRF)提供财务支持这项研究。作者希望 Jittaphoom 先生 Inphiban 他们协助 Panaphot Youngsuk 先生在此工作。参考文献1. 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