雙側強化管熱阻分離實驗研究

趙安利,田松娜,張定才,楊曉明

(中原工學院,鄭州 450007)

雙側強化管熱阻分離實驗研究

趙安利,田松娜,張定才,楊曉明

(中原工學院,鄭州 450007)

通過對3根水平雙側強化管進行冷凝實驗,用Wilson熱阻分離方法計算出換熱管管內強化倍率,并找出了影響管內表面傳熱系數的因素.實驗與計算結果顯示,在本文研究范圍內,管內強化倍率隨內齒高度的增大而增大,其原因是強化管內表面凸起使流體流過時形成周期性的擾動,強化了換熱.

雙側強化管;熱阻分離;強化倍率

由于能源危機以及原材料價格的上漲,在空調制冷行業,生產企業通過提高換熱器的換熱效率以降低生產成本.雙側強化是一種有效的強化換熱方法,已得到廣泛應用.目前獲得管內表面傳熱系數的方法主要是直接測壁溫法和Wilson熱阻分離法.直接測壁溫法的不足之處在于,對于管內壁結構復雜的強化管,很難布置測溫元件,因此難以準確測出管內壁面溫度.W ilson熱阻分離法[1]可以較方便地分離出管內外側換熱熱阻,從而為強化換熱研究提供依據.

本文采用W ilson熱阻分離法與 Gnielinski公式計算管內對流換熱系數,對光管和3根雙側強化管進行管內外換熱實驗研究,分離出管內強化倍率ci,再由公式hi=ci hip計算出強化管內表面傳熱系數,并對實驗結果進行分析.

1 實驗系統

實驗系統如圖1所示.該系統主要由制冷劑循環、冷凝水循環和蒸發水循環3部分組成.液態制冷劑在蒸發器內被高溫水加熱至沸騰,變為氣態;氣態制冷劑通過上升管進入冷凝器,在冷凝器內被冷凝成液體,通過下降管循環回到蒸發器內完成一個循環.冷凝水從冷凝水箱流經水泵、流量計進入實驗管,之后再回到冷凝水箱完成一個循環.蒸發水從蒸發水箱流經水泵、流量計進入蒸發器,然后回到蒸發水箱完成一個循環.冷凝水箱和蒸發水箱均由加熱系統和制冷系統來維持其溫度恒定.

圖1 實驗系統示意圖

系統內溫度、冷凝水和蒸發水進出口溫度均由經過標準水銀溫度計標定過的 Pt100鉑電阻溫度計測量.

實驗冷凝溫度為(40±0.1)℃,冷凝水流速為1.5～4.5 m/s,對光管(Cs)和3根雙側強化管(C31、C36和C38)進行了實驗研究.其幾何結構參數如表1所示.

表1 試驗管的幾何參數

2 實驗方法

2.1 總傳熱系數

總傳熱系數k按公式(1)進行計算[2]:

式中:φ為換熱量,W;Ao為胚管外表面積,m2;Δtm為對數平均溫差,K.

2.2 管內表面傳熱系數

光管管內表面傳熱系數采用 Gnielinski公式[3]即公式(2)進行計算.Gnielinski公式既適用于旺盛湍流區,又適用于過渡區,其預測結果與90%實驗數據的相對偏差都在±10%以內,屬于計算管內表面傳熱系數精確度較高的公式.

式中:L為管長,m;f為湍流阻力系數,按下式計算:

實驗驗證范圍:Re為2 300～106;Prf為0.6～105.

2.3 強化倍率ci的計算

強化倍率ci采用 Wilson熱阻分離法[1]與Gnielinski公式相結合的方式得出[3-4].

總傳熱系數可表示成下式:

由于被測試管是新加工的銅管,實驗時忽略管內外的污垢熱阻Rf.式中di、do為胚管內、外直徑;Rw為壁面熱阻.所以式(3)變為:

管內表面傳熱系數可按公式(5)計算:

公式(4)又可表示為:

將管內表面不同傳熱系數的實驗值畫在1/k-1/hip圖上,由公式(6)可求出通過這些實驗點的直線的斜率m,由公式(7)可求出ci值.

3 實驗結果與分析

3.1 實驗系統的可靠性

為了確保實驗系統的可靠性,對本實驗臺在冷凝溫度為40℃時進行R22光管管外冷凝換熱校核實驗,圖2所示是光管管外表面傳熱系數與Nusselt理論值的比較.

實驗結果表明,R22在光管外的凝結換熱系數ho與Nusselt理論值的相對偏差都在±5%以內,這與前人的研究結果相一致[2,5-6],可以認為實驗系統可靠.

3.2 光管管內強化倍率的校核

用Wilson熱阻分離法與 Gnielinski公式對光管管內強化倍率進行校核實驗,并將實驗結果(如圖3所示)與理論值1.0作比較.通過實驗結果計算出光管管內強化倍率為1.009,其與理論值1.0的相對偏差

圖2 光管校核實驗結果

為0.9%,表明采用該方法分離管內外表面傳熱系數是可靠的.

圖3 光管 Wilson圖

3.3 強化管管內強化倍率

圖4所示是各強化管Wilson曲線圖,橫坐標為光管管內表面傳熱系數的倒數,縱坐標為總傳熱系數的倒數.通過W ilson實驗可得各管的管內強化倍率,如表2所示.

圖4 試驗管的Wilson圖

表2 強化倍率表

從表2中可以看出:對于本實驗所研究的3種管型C38、C36和C31,它們的內齒高是逐漸增加的,由0.32 mm增加到0.34 mm,其強化倍率ci也呈逐漸增大的趨勢,由2.267增加到2.343,強化倍率均大于1.0.這表明內螺紋起到了明顯的強化作用,使管內表面傳熱系數成倍增加.

雖然3根強化管管內螺旋角、齒間距等都相同,僅齒高不同,但是實驗得出的強化倍率卻不一樣.從實驗結果可以看出,強化倍率ci與管內齒高之間存在一定的關系.分析得出,強化倍率隨齒高的升高而增大,在本文實驗參數范圍內,加大內齒高度,可以提高管內強化倍率.出現這種現象的原因是由于管內有加工成的螺旋形凸起,靠近壁面的一部分流體經過螺旋形凸起時能產生周期性擾動,使得管內換熱起到了強化作用.本文所研究的3根強化管,它們的強化倍率不同,其主要原因是由于管內加工的螺旋形凸起的高度不同造成的[7-8].

由于在一定范圍內,管內強化倍率隨內齒的增高而變大,提高了管內表面傳熱系數,在工程使用中要減小換熱器的體積和提高管內表面傳熱系數,可以通過改變內齒高的方法來實現.

4 結 語

通過對光管和3根水平雙側強化管的換熱實驗研究,并進行熱阻分離,得出以下結論:

(1)應用Wilson熱阻分離法得出光管的實驗值與理論值相對偏差為0.9%,表明該方法是可靠的;

(2)對于所研究的3種不同管型,管內強化后,其強化倍率都在2.2～2.4之間,起到了明顯的強化作用;

(3)管內強化倍率ci與內齒高之間存在一定的關系,在一定范圍內,強化倍率隨內齒高的升高而增大.

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Experimental Study of Thermal Resistances Discretization on Doubly-Enhanced Tubes

ZHAO An-li,TIAN Song-na,ZHANG Ding-cai,YANG Xiao-m ing
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Experimental study on condensation heat transfer are conducted over three horizontal doublyenhanced tubes.Wilson’s thermal resistance discretization are used to calculate inner enhancement rate,some influent facto rs are studied,too.Experimental and calculating results indicate that w ith the increase of inner fin height,the enhancement rate is increased,w ithin the tube parameters studied by this paper.The reason is that the convexes of helical rib results in the fluid periodic disturbances and enhances the heat transfer.

doubly-enhanced tubes;thermal resistance discretization;enhancement rate

TK124

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.004

1671-6906(2011)01-0015-04

2010-11-25

河南省科技攻關項目(092102210288)

趙安利(1974-),男,河南新鄉人,碩士生.