新型內(nèi)翅式氮氣換熱器對流換熱性能研究

摘要：通過實驗的方法研究了一種新型內(nèi)翅式氮氣換熱器的對流換熱和阻力特性,建立了所測Ｒｅ范圍內(nèi)對流換熱和阻力實驗關(guān)聯(lián)式,并且在相同質(zhì)量流量、相同泵功率、相同阻力降的條件下比較了該翅片管與普通光管之間的傳熱效果.與類似的波紋管的換熱效果進行了比較,結(jié)果表明,新型內(nèi)翅式氮氣換熱器具有較好的換熱效果,特別是在較低Ｒｅ條件下,效果更加明顯.
　　關(guān)鍵詞：氮氣換熱器;強化傳熱;Ｒｅ;阻力特性
　　中圖分類號：ＴＫ124　　　　　文獻標(biāo)識碼:Ａ　　　　　文章編號:1672-0946(2006)01-0115-03
　　對流換熱及其強化傳熱一直是人們研究的重要課題[1].強化傳熱研究在化工系統(tǒng)制冷空調(diào)工程及食品工程中具有重要的實際意義.石化和化工系統(tǒng)中存在大量的處理氣體換熱的工況,由于氣體換熱效率低,導(dǎo)致?lián)Q熱器體積過于龐大,從而大大增加了企業(yè)負擔(dān),也嚴(yán)重制約著大處理量工況時設(shè)備一體化的要求,因此,石化和化工系統(tǒng)中研究強化傳熱,可以大大減小設(shè)備體積,具有重要的理論和實際意義.本文研究了一種波紋形內(nèi)翅片高效換熱管,具有較大的翅化比,較高的翅片效率,整個換熱管具有良好的換熱效果.
　　1　實驗系統(tǒng)
　　整個實驗系統(tǒng)由空氣壓縮機、混合入口段、實驗段、較核段及水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖1所示.實驗中,為了在不同壓力進行實驗,用空氣壓縮機來取代風(fēng)機作為空氣動力源,通過混合箱消除由于壓縮機排氣對氣體流速產(chǎn)生的脈動影響,通過調(diào)節(jié)旁通閥來改變進入翅片管的空氣流量.翅片管入口段采用維多辛斯基曲線喇叭口,空氣經(jīng)過這種漸縮入口以后速度分布接近均勻.實驗時,在管子軸向15個截面上分別布置熱電偶,每個截面沿周向布置3個熱電偶.在實驗段后設(shè)置一個套管換熱器,也采用波紋內(nèi)翅片換熱管,通過對套管換熱器數(shù)據(jù)的處理,來較核實驗管測定數(shù)據(jù)的可信度(二者給熱系數(shù)偏差大于10%被視為不可信).
　　傳熱實驗采用恒熱流密度的做法,實驗采用電阻絲作為加熱元件,將電阻絲均勻地纏繞在翅片管上,為了盡可能地減少散熱損失,加熱電阻絲外包裹石棉和海綿,實驗加熱兩端均裝有絕熱良好的絕緣木來減少軸端熱損失,在出口處加設(shè)輔助微調(diào)加熱器來補償出口端導(dǎo)熱損失.
                      
　　2　數(shù)據(jù)處理方法
　　通過調(diào)節(jié)電阻絲電流大小,控制實驗滿足中等以下溫差范圍條件,空氣定性溫度取進出口平均溫度,即ｔｍ=(ｔｍ+ｔｏｕｔ) 2.熱平衡由電阻絲的加熱功率Ｗ與空氣的吸熱量Ｑ比較而得.實驗中熱平衡相對誤差一般小于5%,最大熱平衡偏差小于9%.熱平衡偏差定義為：
              
　　由于實驗銅管管壁很薄,熱電偶采用錫焊焊接,銅和錫的導(dǎo)熱系數(shù)都很大,因此可以認(rèn)為用熱電偶測得的溫度近似代表管內(nèi)壁溫度.實驗表明,同一個截面上的三個熱電偶測得的溫度相差很小,相差一般小于0.5℃,內(nèi)翅片管內(nèi)壁面溫度ｔｗ(ｘ)取同一個截面上三個熱電偶的算術(shù)平均數(shù).在恒熱流密度加熱條件下,流體主流方向平均溫度必定沿流向呈線性變化,故其局部點主流溫度采用如下計算式：
              
　　由于恒熱流密度時,在充分發(fā)展區(qū)內(nèi)軸向溫度梯度呈現(xiàn)為恒定值,也就是說,其局部給熱系數(shù)亦應(yīng)為定值.因此充分發(fā)展段平均對流換熱系數(shù)可以通過各局部換熱系數(shù)的平均值給出,充分發(fā)展段對流換熱系數(shù)和Ｎｕｓｓｅｌｔ數(shù)定義為
             
　　3　實驗結(jié)果及討論
　　3.1　對流換熱和流動阻力的實驗關(guān)聯(lián)式
　　充分發(fā)展段的對流換熱和阻力的整體特性可以用關(guān)聯(lián)式來反映,根據(jù)最小二乘原理,對實驗數(shù)據(jù)擬合得到如下形式實驗關(guān)聯(lián)式:
              
　　3.2　傳熱性能比較準(zhǔn)則
　　文獻[3]中廣泛采用的傳熱性能比較準(zhǔn)則有相同質(zhì)量流量、相同泵功率、相同壓降三種比較準(zhǔn)則.根據(jù)文獻[4]的建議,在常物性條件下,進行推導(dǎo)可得如下限定關(guān)系式
               
    在上述三種準(zhǔn)則下,圖2、3、4分別表示在相同質(zhì)量流量、相同泵功率、相同阻力降的條件下兩種內(nèi)翅片管在換熱面積基本相同(翅片管的外管與普通光管內(nèi)徑相同)時分別與普通光管的換熱效果比較.從圖2、3、4可以看出,新型波紋形內(nèi)翅片換熱管具有良好的強化換熱效果,特別是在較低Ｒｅ時,其強化效果十分明顯,但是隨著Ｒｅ的增加,強化倍數(shù)迅速降低;比較管換熱效果隨Ｒｅ變化相對比較平緩.波紋形內(nèi)翅片換熱管和比較管都在相同質(zhì)量流量比較準(zhǔn)則下具有最大的強化效果,相同壓降時強化效果最差,甚至在Ｒｅ增大到一定時,不再具有強化作用,這主要是由于在管內(nèi)加翅片后,換熱管阻力降增大的緣故,特別是在高Ｒｅ時,翅片管阻力系數(shù)較之普通光管增加明顯,這樣,在相同阻力降時,其強化作用就顯現(xiàn)不出來了.總體來說,不管哪種比較準(zhǔn)則下,新型波紋形內(nèi)翅片換熱管都具有比比較管更好的強化效果.這主要是由于二者不同的翅片結(jié)構(gòu)引起的.
    雖然新型波紋形內(nèi)翅片換熱管和比較管的翅片都是彎曲成波紋性的,但是比較管內(nèi)外管之間的流通空間被分為4個大小不一的流道,靠近外管的兩個流道離翅根較近,有較小的導(dǎo)熱距離,具有良好的換熱效果,而靠近內(nèi)管的兩個流道有很大的導(dǎo)熱距離,導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降,同時又由于四個通道分別被隔絕,流體不能相互流通,使得流體對流不暢,因此總體換熱效果下降.而新型波紋形內(nèi)翅片換熱管流體通道成長扁性,并且只在圓周方向上形成2個大小相近的小流道,雖然靠近內(nèi)管的導(dǎo)熱距離也很大,但是由于流體能很好的流通,在圖2兩種翅片管換熱效果的比較每個通道內(nèi)對流和導(dǎo)熱充分結(jié)合,所以具有了良好的強化換熱效果.
                  
                      
    4　結(jié)　論
    本文研究了波紋內(nèi)翅片管的對流換熱及流動阻力特性,得到了Ｎｕｓｓｅｌｔ數(shù)、Ｄａｒｃｙ阻力系數(shù)ｆ隨Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)變化的實驗關(guān)聯(lián)式,并將該新型波紋內(nèi)翅片換熱管與類似波紋管進行了比較.結(jié)果發(fā)現(xiàn),新型波紋內(nèi)翅片換熱管在相應(yīng)的準(zhǔn)則方程式控制下,相同傳熱溫差的傳熱量較之普通光滑管要高1.5～14倍.無論哪種比較準(zhǔn)則下,兩種翅片管的綜合性能都要強于普通光管,在相同的比較準(zhǔn)則下,實驗管具有較之比較管更好的傳熱性能,不同的翅片結(jié)構(gòu)和流道形式對換熱強化影響較大.