微細(xì)管殼式換熱器傳熱性能及其分析
戴傳山, 王秋香, 李 彪, 孫平樂
(天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院,天津300072)
摘要:對(duì)微細(xì)管管殼式換熱器的流動(dòng)與傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的微細(xì)圓管換熱器對(duì)流傳熱努謝爾特?cái)?shù)準(zhǔn)則式與流動(dòng)阻力系數(shù)的準(zhǔn)則式,分析了微細(xì)管管殼式換熱器的傳熱流動(dòng)綜合性能,并與傳統(tǒng)的管殼式換熱器進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果表明:微細(xì)管管殼式換熱器傳熱流動(dòng)綜合傳熱性能是傳統(tǒng)管殼式換熱器的2到5倍,且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。
關(guān)鍵詞:微管;傳熱;流動(dòng);綜合性能
中圖分類號(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1671-8097(2011)04-0283-04?。模希桑海保埃常梗叮梗辏椋螅螅睿保叮罚保福埃梗罚玻埃保保埃矗埃埃?br />
0 引 言
隨著微電子技術(shù)和微納米技術(shù)的發(fā)展,在航空航天、醫(yī)療、化學(xué)、生物等領(lǐng)域,高密度微元器件的冷卻出現(xiàn)了問題,比如超大規(guī)模集成電路的熱障問題,微電子機(jī)械系統(tǒng)的流動(dòng)傳熱問題等,引發(fā)眾多學(xué)者對(duì)微尺度流動(dòng)傳熱的極大關(guān)注。
石油、化工各工業(yè)領(lǐng)域都在大力發(fā)展大容量、高性能傳熱設(shè)備,且對(duì)傳熱設(shè)備的尺寸和重量有著特殊的要求,因而體積微小、單位體積傳熱面積很大的微小型化的換熱器將成為傳熱設(shè)備生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)。
國內(nèi)外對(duì)微尺度的流動(dòng)和傳熱研究比較重視,我國對(duì)該方面的研究經(jīng)費(fèi)投入在不斷增加,取得了一些研究成果。彭曉峰等針對(duì)微槽道內(nèi)流動(dòng)沸騰提出了擬沸騰概念[1]。周繼軍等通過微通道實(shí)驗(yàn)得到的fRe值高于傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)值,表明微槽道的表面粗糙度對(duì)流動(dòng)和傳熱有重要的影響[2]。宋靜等[3]采用400μm光滑玻璃管內(nèi)氮?dú)猓?,氮?dú)猓掖肌⒌獨(dú)猓燃谆w維素鈉(CMC)兩相流動(dòng)特性進(jìn)行的流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn),研究的結(jié)果表明,不同流體的摩擦壓降都會(huì)隨著表觀氣速和表觀液速的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。蔣潔等[4]對(duì)矩形微尺度通道中的流動(dòng)阻力和傳熱特性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,微尺度通道中流體流動(dòng)的摩擦阻力較小。
微尺度通道中對(duì)流傳熱的Nu也與常規(guī)尺度通道的顯著不同:流量較小時(shí),Nu較常規(guī)尺度通道中充分發(fā)展段的??;隨著水流量的增加,微通道的Nu迅速增加,并很快超過常規(guī)尺度通道的Nu,表現(xiàn)出微尺度效應(yīng)。
國內(nèi)外對(duì)微槽道的研究內(nèi)容比較多,而針對(duì)微管的研究并不多見。其原因主要有:1)在許多工藝過程中,微管表面并不是直接發(fā)熱表面,因此,針對(duì)微管的研究主要出現(xiàn)在微熱管或單毛細(xì)管傳熱與流動(dòng);2)微細(xì)管換熱器的加工制作工藝相對(duì)微通道比較難,但是值得指出的是圓形結(jié)構(gòu)依然是生物界中的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)[5]。
然而,微尺度內(nèi)流動(dòng)傳熱問題非常復(fù)雜,雖然研究取得了一些成果,但同時(shí)還存在一些問題,需要進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)研究,積累數(shù)據(jù),加深微尺度為流動(dòng)傳熱問題的認(rèn)識(shí),并盡可能的用來指導(dǎo)微型高效傳熱設(shè)備的設(shè)計(jì)。
本文對(duì)一種微細(xì)管殼式換熱器進(jìn)行了傳熱與流動(dòng)阻力的實(shí)驗(yàn)研究,分析了該形式換熱器的傳熱與流動(dòng)的綜合特性,以期為高效微管傳熱性的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是自行設(shè)計(jì)加工的類似于管殼式換熱器的微管管束換熱器。其中,微細(xì)圓截面?zhèn)鳠嶙香~管61根,管內(nèi)徑0.68mm、外徑1.0mm、長154mm。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)封閉狀態(tài),如圖1所示,選用R142b作循環(huán)工質(zhì),工質(zhì)通過計(jì)量泵來提供動(dòng)力或壓力進(jìn)行循環(huán)。冷、熱源溫度分別用兩個(gè)恒溫水浴來實(shí)現(xiàn),同時(shí)安裝了溫度、流量、壓力的傳感器以及安捷倫數(shù)據(jù)采集設(shè)備。循環(huán)工質(zhì)由計(jì)量泵升壓后,進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得其流量,然后被送入微管換熱器與熱源傳熱。被熱源加熱的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入冷卻器冷卻至合適溫度再被泵吸走構(gòu)成循環(huán)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
用威爾遜圖解法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合針對(duì)微管管束管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu準(zhǔn)則式,并與已有相關(guān)文獻(xiàn)比較揭示微管傳熱的特性。研究微管管內(nèi)壓力降與質(zhì)量流量的關(guān)系;摩擦阻力系數(shù)f與Re的關(guān)系并與常規(guī)尺度下的值進(jìn)行對(duì)比分析。定義換熱器傳熱流動(dòng)特性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),與常規(guī)尺度管殼式換熱器對(duì)比分析突出微細(xì)管換熱器的優(yōu)勢(shì)。
2.1 微管內(nèi)傳熱關(guān)聯(lián)式的提出
在微管換熱器管內(nèi)、管外傳熱性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上,本文假設(shè):1)實(shí)驗(yàn)用微細(xì)銅管具有相同的表面粗糙度;2)每根傳熱管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量相同,即無流體分布不均現(xiàn)象;3)沿微細(xì)銅管管壁的軸向?qū)峥梢院雎圆挥?jì);并假設(shè)管內(nèi)平均傳熱Nu準(zhǔn)則式為:
通過調(diào)整n用最小二乘法線性擬合,使盡量多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)落在擬合直線上,從而確定Re的最佳指數(shù)n。用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算得到n=1.08,平均擬合偏差為3.5%。此時(shí)微管管束管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu準(zhǔn)則式見式(2),實(shí)驗(yàn)Nu與計(jì)算Nu的對(duì)比見圖2,Nu隨Re的變化與常規(guī)管換熱器的對(duì)比見圖3。
2.2 微細(xì)管換熱器管側(cè)阻力特性
實(shí)驗(yàn)中微管換熱器水平安裝,流體在水平微管內(nèi)流動(dòng)重力壓降可忽略。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)工質(zhì)R142b的不可壓縮性,工質(zhì)在微管換熱器進(jìn)出口密度變化很小,加速壓降不超過10Pa,故可以忽略。達(dá)西摩擦系數(shù)f整理成:
圖4表示在不同的微管管外流速下,微管管內(nèi)壓降隨微管管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量的變化關(guān)系。微管管內(nèi)壓降隨管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量的增加急劇增加,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布比較離散。
圖5為通過最小二乘法得到的f與Re最佳擬合關(guān)系式。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:微管管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)f明顯高于常規(guī)尺度層流摩擦系數(shù),本文認(rèn)為微細(xì)管內(nèi)表面粗糙度對(duì)流動(dòng)壓降、流體流態(tài)有很大影響。壓降摩擦阻力系數(shù)f從0.45降到0.15。遠(yuǎn)大于Moody圖給出層流范圍的摩擦系數(shù),常規(guī)尺度的摩擦系數(shù)理論也許在這里已不再適用。
2.3 微細(xì)管換熱器管內(nèi)的傳熱與流動(dòng)綜合性能
分析可知,微細(xì)管管殼式換熱器管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu比常規(guī)尺度Nu要高1.6~3.8倍,與此同時(shí)也帶來微細(xì)管內(nèi)壓力降的增長,為了評(píng)價(jià)微細(xì)管換熱器的整體性能,引入換熱器傳熱流動(dòng)特性綜合指標(biāo)Nu·f1/3。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可得本實(shí)驗(yàn)用的微細(xì)管換熱器的傳熱流動(dòng)特性綜合指標(biāo)。
由圖6可知,強(qiáng)化倍數(shù)隨Re的增加而增加,即在較大Re下,微細(xì)管換熱器比常規(guī)管的傳熱流動(dòng)綜合性能的強(qiáng)化倍數(shù)更高。本文實(shí)驗(yàn)管殼式微細(xì)管換熱器的傳熱流動(dòng)綜合性能,與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比,前者傳熱流動(dòng)綜合傳熱性能是后者的2.45到5.58倍,且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著Re的增加而增加。
3 結(jié) 論
本文對(duì)微細(xì)管管殼式換熱器的流動(dòng)與傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。整理出了微管管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu準(zhǔn)則式,并與已有相關(guān)文獻(xiàn)比較揭示微管傳熱的特性。結(jié)果表明:
1)管內(nèi)單相強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu比常規(guī)尺度Nu要高1.6~3.8倍,且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著Re的增加而增加。
2)微管管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)f明顯高于常規(guī)尺度層流摩擦系數(shù),且微細(xì)管內(nèi)表面粗糙度對(duì)流動(dòng)壓降、流體流態(tài)有很大影響。壓降摩擦阻力系數(shù)f從0.45降到0.15。遠(yuǎn)大于Moody圖給出層流范圍的摩擦系數(shù),常規(guī)尺度的摩擦系數(shù)理論在這里已不再適用。
3)本實(shí)驗(yàn)管殼式微細(xì)管換熱器的傳熱流動(dòng)綜合性能是傳統(tǒng)的管殼式換熱器的2.45到5.58倍,且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著Re的增加而增加。
參考文獻(xiàn):略
標(biāo)簽:
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