随着工业现代化的不断发展,强化传热越来越得到人们的重视,现已开发的强化传热管包括低翅片管、T形翅片管和表面多孔管等,表面多孔管又分为烧结型、喷涂型、电镀型、腐蚀型和机械加工型[1],其中喷涂型制造简单,成本较低,更适合工业开发和应用。
表面喷涂多孔铝传热管是在普通钢管的基础上开发和研制出来的,其特点是与相同结构的普通碳钢管相比,表面积较大,传热效率较高,这对于石油、化工换热设备的开发应用和技术改造有着十分重要的意义。
1 试验装置
试验装置如图1所示。该试验装置主要由试验装置本体、冷却系统、控制系统和测量系统等四部分组成。
1.1 试验装置本体
试验装置本体包括丙酮蒸发冷凝器、实验管、冷却盘管和丙酮溶液。实验管垂直固定于丙酮蒸发冷凝器底部,其下端用填料密封。丙酮蒸发冷凝器的上方装有冷却水盘管,其作用是为冷凝器上部提供冷源,使丙酮蒸气受冷却而冷凝。丙酮蒸发冷凝器壁上开有视窗,可以随时观测丙酮加热和沸腾的全过程。在丙酮蒸发冷凝器上端法兰处装有精度为0.4级的压力表(型号B4—2—017),以便随时检测试验装置本体内部压力。
1.2 冷却系统
冷却系统包括水箱、水泵、调节阀、冷却水管和转子流量计(LZB—15,25—250L/h)。水箱的冷却水来源于自来水,通过水泵将冷却水送入冷却盘管,然后通过回流管排出。冷却水的流量由转子流量计通过调节阀进行控制,其水温由热电偶测量。
1.3 控制系统
控制系统包括电流表(GB776—76, 719—A型,精度0.5级)、电压表(GB776—76,719—V型,精度0.5级)和调压变压器(TDG2/250,最大容量为2kVA)。加热功率的大小通过调压变压器进行调节,然后由电流表和电压表读数计算出功率值。
1.4 测量系统
根据实验的要求,测量系统包括HP9000-300计算机、HP3852A数据采集器、打印机和热电偶。
2 试验过程及数据整理
在试验中,实验管的壁温测量是利用铜—康铜丝(直径为0.2mm,用电火花焊接而成)热电偶、HP3852A数据采集器以及HP9000-300计算机实现的。实验管分别为优化设计后的普通碳钢管和表面喷涂多孔铝管,结构尺寸为Á25mm×2.5mm,有效长度为L=165mm。结构如图2、图3所示。
(1)试验过程
a.在实验管的外表面同一截面上均布钻三图2 表面喷涂多孔铝管个深1.0mm的Á1.5小孔(普通钢管钻两个小孔),将热电偶端点放入小孔内,用锡焊死,并将热电偶丝固定好,以防折断。
b.热电偶丝与试验管一起从丙酮蒸发冷凝器底部装入,并将填料压盖螺栓上紧。
c.将7.5L丙酮溶液倒入丙酮蒸发冷凝器里,并使其不与上部冷却盘管接触,两者之间留有2～3cm的距离。
d.将测量管壁温度和介质温度的热电偶丝一同从丙酮蒸发冷凝器上端引出,接入HP3852A数据采集器,采集器与计算机相连。通过操作计算机功能键,数据采集器将自动采集7组数据(即每1s时间采集完所有点的数据,每隔1s采集一次,连续采集七次,检查变化情况),并按指定格式显示于计算机的CRT上。取每一点7个数值的算术平均值作为该点该时刻的温度值。隔3～5min重复取数。如连续3次各点取数之差(指各点上一次取数平均值与下次取数平均值之差)均不大于0.01℃,即认为系统已处于稳定状态。如系统已处于稳定状态,7组数据在打印机上打印出来,并记录下当时的电压U和电流I。在本试验中,一般将电压稳定于某一特定值后,系统要经历2h左右才达到稳定状态。个深1.0mm的Á1.5小孔(普通钢管钻两个小孔),将热电偶端点放入小孔内,用锡焊死,并将热电偶丝固定好,以防折断。
b.热电偶丝与试验管一起从丙酮蒸发冷凝器底部装入,并将填料压盖螺栓上紧。
c.将7.5L丙酮溶液倒入丙酮蒸发冷凝器里,并使其不与上部冷却盘管接触,两者之间留有2～3cm的距离。
d.将测量管壁温度和介质温度的热电偶丝一同从丙酮蒸发冷凝器上端引出,接入HP3852A数据采集器,采集器与计算机相连。通过操作计算机功能键,数据采集器将自动采集7组数据(即每1s时间采集完所有点的数据,每隔1s采集一次,连续采集七次,检查变化情况),并按指定格式显示于计算机的CRT上。取每一点7个数值的算术平均值作为该点该时刻的温度值。隔3～5min重复取数。如连续3次各点取数之差(指各点上一次取数平均值与下次取数平均值之差)均不大于0.01℃,即认为系统已处于稳定状态。如系统已处于稳定状态,7组数据在打印机上打印出来,并记录下当时的电压U和电流I。在本试验中,一般将电压稳定于某一特定值后,系统要经历2h左右才达到稳定状态。
(2)试验数据
对于表面喷涂多孔铝传热管,共测8点,其电压分别为U=140、160、180、180.12、210、220、240、263V;而普通碳钢管共测6点,其电压分别为U=130、162、190、210、227、250V。实验数据如表1和表2所示。
3 传热性能分析
由电工学可知,实验管的电热量N为电加热功率,即N=UI式中
U——实验管的加热电压
I——实验管的加热电流
由热工学[2]可知,实验管的热流密度与传
经过对实验数据的转换,得出如图4所示的关系曲线。从q—h曲线可以看出,无论表面喷涂多孔铝管还是普通碳钢管,其垂直状态下,在丙酮中的沸腾传热系数均与表面热流密度有关。同一种实验管的表面热流密度q增大,传热系数h也随之增大。在同一表面热流密度下,表面喷涂多孔铝传热管的传热系数远大于普通碳钢管,前者约为后者的4～5.5倍。
4 结论
(1)表面喷涂多孔铝传热管,在丙酮介质中垂直放置条件下,表面热流密度在1.0×104～3.0×104W/m2范围内的沸腾对流传热系数为0.656×104～2.184×104W/(m2õK)。相同条件下普通碳钢管的对流传热系数为0.121×104～0.396×104W/(m2õK)。
(2)实验结果证明,表面喷涂多孔铝传热管与普通碳钢管相比,具有较好的传热性能,因此将得到更广泛的应用。
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