內管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性研究

孫坤龍

（江蘇拓米洛環境試驗設備有限公司，昆山 215300）

引言

隨著汽車工業的不斷革新與發展，汽車系統向著更加緊湊集約、穩定可靠的方向不斷發展。而汽車零部件的運行性能對汽車系統的發展程度起著決定性的作用，這意味著汽車系統的發展必然以汽車零部件性能的發揮為前提。也即，汽車系統的發展在很大程度上取決于汽車零部件的不斷開發。

汽車零部件在使用過程中會遇到各種各樣的環境，比如：高溫、低溫、高壓、低壓、高濕、低濕、震動、應力或由這些環境中的一些環境的交互、交變形成的更加復雜多變的環境等。因此，如何開發出對復雜多變的環境適應性更強的零部件，并能保證零部件在這些環境中具有更優良的性能是當今零部件開發的主要方向。在這些復雜的環境中，最常見的是高低溫環境引起的零部件應力的變化。在附加應力的作用下，隨著運行時間的增長會造成結構強度的降低、性能的衰減；甚至造成零部件的損壞。因此，為減弱高低溫環境對零部件的損害程度，使得零部件在更適宜、更穩定的環境中工作，就需要通過換熱器為一些易受溫度影響的零部件創造出穩定適宜的工作環境，從而保證這些零部件的長期可靠運行。因此換熱器是當前汽車系統中一個必不可少的輔助部件。然而，換熱器在這種惡劣的環境下運行時，同樣會受到高低溫引起的應力作用；由應力作用導致換熱器失效的案例也不在少數。因此，換熱器的運行可靠性及換熱特性決定了其適宜的運行環境，研究更適宜應對高低溫環境的換熱器具有重要的意義。

由于其自身結構的特殊性，刺刀管式換熱器的內管和外管均可以自由伸縮；在高低溫環境下，其不受熱應力的作用[1]。因此，刺刀管式換熱器是一種特別適宜應對高低溫環境的換熱器。本文從理論和實驗兩個方面對內管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行了研究。

1 實驗系統與設備

本實驗系統是用于對單根刺刀管式換熱器的實驗，以獲得換熱過程中工質的壓力和溫度等參數，從而對其傳熱特性進行分析與研究。

刺刀管式換熱器實驗系統主要包括回路系統、測控系統、電氣系統及輔助系統，實驗系統圖如圖1所示。

圖1 試驗系統圖

1.1回路系統

回路系統主要包括：氣體源系統、加熱系統、實驗段系統、回熱系統及冷卻系統。

1.2 測控系統

測控系統主要用來測量實驗過程中的參數。本實驗中的測控系統主要包括：殼程管路測量系統、管程管路測量系統及數據采集與處理系統。

1.3 其它輔助系統

主要組成有：連接管道、除油過濾器、空氣過濾器及精密大氣壓力表等。

2 傳熱特性的分析與實驗

通過理論與實驗相結合的方法對內管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行研究。確定其傳熱特性與冷熱工質溫度、流速、換熱器的結構及熱邊界條件之間的關系。

2.1 影響因素的分析

由于內管絕熱，單根刺刀管式換熱器的殼程和管程的通道均可視為圓環形通道。

2.1.1內外壁面對傳熱特性的影響

研究結果表明，構成圓環形通道的內、外壁面的表面傳熱系數是不同的。Monard[2]認為圓環形通道內外壁面傳熱系數的不同是由環隙中工質流速分布的非對稱性造成的。在圓形通道中，最大流速出現在管中心處，而在圓環形通道中最大流速點相對靠近內壁面。使工質在內壁面上產生的剪切力大于在外壁面上的剪切力。

根據動量與能量傳遞類似率[3]，可得內外壁面的傳熱系數的比值為：

式中：

di— 環道內壁面直徑/mm；

do— 環道外壁面直徑/mm。

本實驗殼程圓環形通道的內、外壁面的直徑分別為38 mm和52 mm，則其直徑比do/di近似為1.37；管程圓環形通道的內、外壁面的直徑分別為22 mm和30 mm，則其直徑比do/di近似為1.36。將這兩個直徑比do/di分別帶入式(1)中得出它們的修正系數g（do/di）都近似等于1.11。

本文采用常見的已定準則的冪指數形式表達此時的對流傳熱關聯式。在其他條件相同的條件下，可以將圓環形通道的內、外壁面的傳熱關聯式寫成以下形式，它們分別為：

其中Nu、Re數中當量直徑為流速當量直徑。

2.1.2 熱邊界條件對傳熱特性的影響

對于圓環形通道，根據熱量傳遞方向的不同將其概括為三種熱邊界條件：①內壁傳熱，外壁絕熱；②內壁絕熱，外壁傳熱；③兩壁面都傳熱。

在過渡流和湍流流動狀態下，V. Gnielinski對在不同熱邊界條件下的圓環形通道內的傳熱系數進行了研究，1983年在其著作[4]中給出了目前公認的計算準確度較高且應用較為廣泛的對應不同熱邊界條件時修正系數的數學表達式，如下。

熱邊界條件為③時：

適用范圍：2 300 < Re < 106、全部介質。

2.1.3 環隙尺寸的多變性對傳熱特性的影響

圓環形通道的環隙尺寸變化范圍廣，如果以環隙具體尺寸作為影響因素，研究的工作量將是驚人的。為了找出更合適的研究方法，J Dirker[5]將環隙的直徑比作為研究對象進行了研究，最終得出直徑比是圓環形通道的主要結構參數，相同直徑比下的圓環形通道有著相同的傳熱特性。

綜上所述，對于上述提到的由于圓環形通道的熱邊界條件的復雜性、環隙尺寸的多變性以及兩側壁面傳熱系數的差異性引起的圓環形通道傳熱特性難以確定的問題，本文總結并選擇通過自變量為直徑比(do/di)的修正系數來進行處理。在考慮上述三種影響因素的情況下，提出一種新的傳熱關聯式的形式為：

熱邊界條件修正系數f(do/di)的表達式見表1。

表1 f(do/di)的表達式

內、外壁面修正系數g(do/di)的表達式見表2。

表2 g(do/di)的表達式

適用范圍：5000 < Re < 106、全部介質。

2.2 實驗研究

通過實驗研究了工質的流速、溫度及壓力等參數對圓環形通道內的傳熱特性的影響，擬合得到實驗條件下的傳熱關聯式。

2.2.1 實驗數據

實驗數據見表3。

表3 逆流實驗結果

2.2.2 傳熱關聯式的擬合

雖然本實驗段殼程工質與外界有換熱，但其與冷熱工質間的傳熱量相比非常少，可以忽略。因此殼程的傳熱關聯式應選取熱邊界條件為①時的內壁面傳熱關聯式，即：

由于管程圓環形通道內工質是通過通道外壁面單方向的傳熱，管程的傳熱關聯式應選取熱邊界條件為②時的內壁面傳熱關聯式，即：

將實驗結果與式（8）、（9）建立聯系，找出使偏差最小時參數C、m及n的值，這些值就是關聯式的最優參數，這樣就擬合出了最佳的傳熱關聯式。

研究發現當流體為空氣時，對于指數n的取值范圍基本在0.3 ~ 0.4之間，并且有學者推薦n取1/3[6]；本文取指數n的值為1/3。

根據本實驗的擬合結果獲得的環隙外壁面和內壁面的傳熱關聯式分別為：

該式的適用范圍為：7×103< Re < 5×104，介質為空氣。

3 結語

本文對內管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行了分析，在實驗的基礎上獲得了內管絕熱刺刀管式換熱實驗段的傳熱關聯式，得出的主要結論如下：

1）熱邊界條件的復雜性、通道尺寸的多變性以及通道內外壁面傳熱系數的差異性是圓環形通道傳熱特性的主要影響因素。本文結合上述三種影響因素及現有的研究成果，提出了針對圓環形通道傳熱特性的一種新的傳熱關聯式的形式。

2）實驗研究了內管絕熱刺刀管式換熱器中實驗段工質溫度、壓力、流速以及流向對傳熱特性的影響，獲得了實驗工況下的傳熱關聯式；對內管絕熱刺刀管式換熱器的設計及在生產實際中的應用具有重要的意義。