換熱管內自旋扭帶傳熱性能的研究

李健

（沈陽特種設備檢測研究院，沈陽110035）

1 引 言

由傳熱基本方程Q=KAΔTm不難看出，增大傳熱系數K、傳熱面積A 和傳熱平均溫差ΔTm，都可以提高傳熱速率。其中，設法增大總傳熱系數K 是強化傳熱的主要途徑。

欲提高傳熱速率，關鍵在于減小傳熱過程的熱阻。熱邊界層越薄，溫度梯度越大，熱阻就越小。所以通過改善流動狀況，使邊界層變薄，或通過相應措施，對邊界層造成更大擾動以至破壞，是強化傳熱的主要途徑之一。本實驗研究所用自旋扭帶就是通過旋轉來達到擾流，破壞邊界層，并使其變薄，從而對傳熱進行了強化。本文主要介紹通過實驗研究自旋扭帶對管內側給熱系數的影響。

2 熱態試驗分析

2.1 總傳熱系數K 的分析

通過實驗數據計算所得的總傳熱系數K 與雷諾數Re 關系如圖1 所示。K 與Re 成對數關系，且隨著雷諾數Re 的增大，總傳熱系數K 也增大。可以看出在相同雷諾數下，自旋扭帶與空管相比總傳熱系數K 有了明顯提高。從圖中發現不同結構參數的自旋扭帶對總傳熱系數K 的影響很小，所以在分析總傳熱系數時，可以忽略自旋扭帶的結構參數變化對其影響。

圖1 總傳熱系數K 與雷諾數Re 的關系圖

自旋扭帶的總傳熱系數K 的綜合回歸方程為K＝785ln（Re）-5485，經過計算誤差均在±5%以內，且有90%的數據在±1%以內。

與空管的總傳熱系數K 的回歸方程進行分析比較，總傳熱系數K 在加入自旋扭帶后，有了很大的提高。尤其在低雷諾數時，總傳熱系數提高12%～62%。由此可知自旋扭帶在低雷諾數時，會達到比較好的傳熱效果。

2.2 威爾遜Wilson 圖解法確定給熱系數關聯式

式中，Nu-努塞爾準數；μ-冷流體粘度，Pa·s，由t定查取；μw-壁溫下的水的粘度，Pa·s；C－給熱關聯式系數；p-雷諾數Re 的指數；Pr-普朗特數。

Wilson 圖解法的目的就是求關聯式中的系數C 及Re 數的指數p。由于計算中要反復試差，工作量很大，本文采用MATLAB 編程處理數據。

圖2 表示的是自旋扭帶試件與空管的比較的Nu 準數與雷諾數關系圖。可以看出Nu 準數隨著雷諾數Re 的增加而增大，在相同的雷諾數Re 下，有自旋扭帶的換熱管比空管的Nu 數要高。而且不同結構參數的自旋扭帶對Nu 準數的提高不同。

圖2 Nu 準數與雷諾數Re 關系圖

由圖2 可知，隨著雷諾數Re 的增加，Nu 值的提高率減小，即提高率η 隨Re 的增加而減小。

對式兩端取對數，進行變量代換，化為多元線性函數形式，代入實驗數據，進行多元線性回歸分析。

式中，D-自旋扭帶帶寬，m；di-換熱管內徑，m；Y-自旋扭帶扭轉比。

式中只有結構參數D/di影響Nu 準數的值，且Nu 值隨D/di增大而增大。在固定的換熱管中，置入自旋扭帶，Nu 值隨自旋扭帶的帶寬D 增大而增大。

該關聯式所依據的344 個熱態實驗數據（雷諾數Re>10000）中，有98%的數據與關聯式的偏差在±10%以內。

2.3 傳熱性能評價

以上對插入自旋扭帶的傳熱性能進行了計算，也做了基本的性能分析。下面對其計算結果進行評價。傳熱效果的強化都是以犧牲流體的阻力為代價的，導致換熱強化性能的降低。所以評價的標準要考慮兩個因素：一是流體阻力；二是傳熱性能，且要綜合起來評價。

式中，λ 為摩擦阻力系數；下標“0”表示空管對應的物理量。φ＞1 表示強化傳熱手段有效，φ 值越高，則強化傳熱效果愈好。

圖中反映了傳熱性能評價因子φ 隨雷諾數Re 的變化趨勢。文獻［2］指出，只有φ＞1 時，才有應用價值。可以看出做實驗的9 根自旋扭帶，其傳熱性能評價因子φ 不同。同一根自旋扭帶隨雷諾數Re 增大，性能評價因子φ逐漸增大。圖中可以看出，所有試件的φ 值基本上在整個雷諾數Re 變化區間里都大于1.3，說明它們的強化效果的綜合性能比較好，效果很明顯。

圖3 強化傳熱綜合性能評價圖

式中，φ-傳熱性能評價因子，下標“0”表示空管對應的物理量。

式中φ 是D、H、Re 的函數，我們研究的是扭帶的結構尺寸對φ 的影響，這里先固定Re，令Re＝4×104代入式中，得： φ＝0.695D0.0907H0.0520

這里就變成了φ 是關于D、Y 的函數，即是結構參數的函數。這樣就可以在確定的雷諾數Re 下，分析結構參數對傳熱性能評價因子φ 的影響。

3 結 論

本實驗通過大量實驗數據關于自旋扭帶傳熱性能的計算，對雷諾數Re、總傳熱系數K、摩擦阻力系數λ 和努塞爾準數Nu 等參數之間的變量關系進行了分析研究。也對自旋扭帶的作了綜合性能的評價。

（1）自旋扭帶的總傳熱系數K 較空管有較大的提高，提高率在12%～62%之間。但自旋扭帶的結構參數對總傳熱系數影響不大，可以忽略，得到總傳熱系數K 的總回歸方程為K=785ln（Re）-5485。

（2）通過威爾遜圖解法確定了給熱系數的關聯式，并把結構參數引入到了關聯式當中，使自旋扭帶的結構尺寸得到了量化的分析。給熱系數關聯式為

本文采用自旋扭帶作為研究對象，目的在于尋找一種可以達到強化傳熱和在線防垢、除垢，成本低廉，安裝拆卸方便，加工簡單，且具有良好的工作效果和實際應用價值的強化元件。以上結論，可供工程技術人員及其他研究人員參考。

［1］《化學工程手冊》編輯委員會.化學工程手冊［M］.北京：化學工業出版社，1986：112-114.

［2］ 顧維藻，等.強化傳熱［M］.北京：科學出版社，1990：2-4.