（热能工程专业论文）单相对流强化换热的实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以单相水为介质，对不同几何尺寸的三种扁管( 红皿= o 。2 8 6 、0 4 5 、 o 5 5 7 ) 在水平套管内的传热特性进行了实验研究，并在冷态下进行了管内 流动阻力的实验研究。对扁管传热及流动阻力的特性和影响因素进行了分 析。 通过实验及分析发现周长相等的扁管与圆管在相同管内体积流量下雷 诺数r e 相等；相同换热条件下三根扁管的总传热系数和管内换热系数均 高于圆管，并且在实验范围内啊口的值越小强化换热程度越强，即圆管被 压制的越扁强化换热越明显。在实验范围内管内传热系数是圆管的1 2 2 4 3 倍。说明扁管具有很好的强化传热效果。同时对扁管在套管内水平和 竖直两种放置方式的换热情况进行了对比，实验结果表明竖直放置的传热 效果优于水平放置。 分别在实验管内r e 为9 0 - 一8 0 0 0 和1 0 0 0 0 - - 6 0 0 0 0 范围内对扁管进行 了流阻实验。通过对实验结果的分析发现在层流区内相同流量情况下三根 扁管的阻力相近，湍流区内相同流量下羁口的值越小的扁管流动阻力越 大，在实验范围内扁管阻力系数是圆管的1 1 8 5 3 9 倍。本文还根据实验 数据对实验结果进行回归得出了管内传热和流动阻力的实验关联式。 关键词：扁管：强化传热；流动阻力特性 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h es i n g l e p h a s ew a t e ri st a k e na sa m e d i u m ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o fh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ed i f f e r e n tg e o m e t r i cd i m e n s i o n sf l a t t u b e s ( t h ev a l u eo fh d fi s0 2 8 6 ，0 4 5a n do 5 5 7r e s p e c t i v e l y ) i sc o n d u c t e di n t h eh o r i z o n t a lc a s i n gp i p e s a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft u b ef l o wr e s i s t a n c e i sa l s of i n i s h e du n d e rt h ec o l dc o n d i t i o n w h i l et h e a n a l y s i s o ft h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro ff i a tt u b eh e a tt r a n s f e ra n df l o w r e s i s t a n c ei sc a r r i e do na tt h es a m et i m e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i ss h o wt h a tt h ef i a tt u b ea n dc i r c u l a rt u b e w i t ht h es a m ep e r i m e t e rh a v et h es a m er e y n o l d sn u m b e ru n d e rt h es a m ew a t e r v o l u m ef l o w , h o w e v e rt o t a lh e a tt r a n s f e ra n dt u b eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t h et h r e ef l a tt u b e sa r eh i g h e rt h a nt h a to ft h ec i r c u l a rt u b e ，a n dt h eh e a t t r a n s f e rd e g r e ei s s t r o n g e rw h e nt h ev a l u eo fh d ii ss m a l l e r n a m e l y ，t h e c i r c u l a rt u b ei sm o r ef l a t ，t h eh e a tt r a n s f e ri ss t r e n g t h e n e do b v i o u s l y t h ef l a t t u b eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sc i r c u l a r s1 2 - 2 4 3t i m e si nt h ee x p e r i m e n t a l s c o p e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef l a tt u b eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo fh e a t t r a n s f e r t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh o r i z o n t a l l ya n dv e r t i c a l l yl a i df i a t t u b ei nt h ec a s i n gp i p ei ss t u d i e da n dc o m p a r e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ev e r t i c a lo n e g a i n st h ea d v a n t a g eo v e rt h eo t h e r t h ef l o wr e s i s t a n c ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do ni nt h ef l a tt u b eu n d e rt h e d i f f e r e n t r e y n o l d sn u m b e rc o n d i t i o n s ，w h i c hv a l u e sa r e9 0 8 0 0 0a n d 10 0 0 0 6 0 0 0 0r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h r e ef l a t t u b e r e s i s t a n c e sa r es i m i l a ru n d e rt h es a m ef l o wi nl a m i n a rr e g i o n ，a n dt h ef i a tt u b e f l o wr e s i s t a n c ei sb i g g e rw h e nt h ev a l u eo fh d ii ss m a l l e ru n d e rt h es a l l l ef l o w i nt u r b u l e n tr e g i o n t h ef l a tt u b er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ti sc i r c u l a r s1 18 - - - 5 3 9 哈尔滨丁：程大学硕士学位论文 t i m e si nt h ee x p e r i m e n t a ls c o p e b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l d a t a o ft h e e x p e d m e n t f lr e s u l t s ，t h i sp a p e ra l s oo b t a i n st h er e u n i f i c a t i o no ft h e e x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n df l o wr e s i s t a n c ei nt h et u b e k e y w o r d s ：f l a tt u b e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；c h a r a c t e r i s t i c so ff l o w r e s i s t a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) 日期：加踔多月侈e t 哈尔滨工程大学硕十学何论文 1 1 前言 第1 章绪论 为了提高换热器效率，节约原材料和减少能源消耗，在换热器中各种 强化传热技术得到了广泛的应用。特别是2 0 世纪7 0 年代世界性经济危机 的出现，更促进了强化传热技术的迅猛发展，具体表现在：各种新的强化 传热方法层出不穷；从实验室研究到工业应用的周期明显缩短；每年发表 的有关强化传热的文献成倍的增长；工业界对强化传热技术的采用越来越 持积极的态度；强化传热所取得的经济效益显著增长。 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是 采用强化元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行 费用最低，以达到生产的最优化。早在1 8 世纪初就有人提出让风吹过物体 表面强化对流传热，但该技术真正引起人们重视是在2 0 世纪6 0 年代后， 由于生产和社会发展的需要，强化传热技术在4 0 多年来得到了广泛发展和 应用。迄今为止，强化传热技术在动力、核能、制冷、石油、化工乃至国 防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过 6 0 0 0 篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。由于科 学技术的飞速发展和能源的严重短缺，不断向强化传热提出了新的要求。 因此，强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世 界各主要工业国都对此进行了大量的研究开发工作伸，。 应用强化传热技术的目的是力图以最经济( 体积小、质量小、成本低) 的换热设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保证高温部件的安 全运行，这就要求进行合理的设计研究，制造出高效的换热器，使之节省 资金、能源、金属消耗和所占的空间。对传统换热器设备研究主要集中在 两大方向上，一是开发新的换热器品种，如板翅式、平行流式和振动盘管 式等紧凑式换热器：二是对传统的管壳式换热器采用强化措施。具体的说， 就是用各种强化型高效传热管( 如螺旋槽纹管、横纹管、波纹管、缩放管、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 翅片管及各种管内插入物等) 取代原来的普通金属光滑管，则既可节约金 属管材和降低设备费用，又能显著地提高热能利用效率，降低能耗他1 。近 3 0 年来，各种工业飞速发展。由于增大设备容量可以减少设备的投资和运 转费用，各工业部门均大力发展大容量设备。火力发电设备容量已发展到 1 3 0 万千瓦的水平；核能发电也发展到同一数量级。尖端工业如火箭、航 空、航天等工业也都蓬勃发展。大容量设备在布置上要求提供尺寸小而容 量大的换热器；火箭、航空、航天等工程设备因空间及动力有限，更需要 采用尺寸小、质轻的紧凑式换热器n ，：在船用核动力装置中，换热设备占 据了动力装置总重量和尺寸的一半以上，在舰船有限的空间内采用强化传 热技术实现换热设备的小型化不仅可以改善船上人员的工作环境，还可以 改善设备安装和维修的条件。另外，舰船在海洋中的运行条件和一些特殊 的需要也要求具有高效、小型的动力装置。因此通过强化传热实现换热设 备小型化对整个船用核动力装置的小型化起着非常重要的作用。 随着传热学及其应用技术的进步，强化换热技术已经成为实现换热器 高效化和小型化的主要方法。通过对换热器的优化设计可以得到体积小、 重量轻、价格便宜、具有较高效率的设备。在国防、工业等领域中已有多 种强化措施得到应用。但是强化换热技术的应用受到一些条件的限制，例 如：系统的压力、结构的可行性、安全性、材料的性质等，并且换热性能 与流动阻力的更加匹配一直是换热器优化与改进的主要方向。所以需要我 们继续研究和开发适合不同领域的强化传热技术。 1 2 对流传热过程及影响对流传热的几个因素 在工业换热设备中，流体在管内强制流动，并与管壁进行对流传热是 晟常见的一种传热形式。 温度不同的各部分流体之间发生宏观相对运动引起的热量传递称为对 流传热。因为微观粒子的热运动总是存在的，所以在对流传热的同时必定 伴随着热传导。在工业生产过程中，对流传热通常是某设备( 热交换器) 或在容器( 反应器、干燥器或精馏设备等) 中的流体通过设备或容器的壁 面输入或输出热量。流体流过与流体平均温度不同的固体壁面时的热交换 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 的过程在工程上称为对流传热或“传热”。由于对流传热是靠流体质点的宏 观运动来完成，因此对流传热与流体的流动状况密切相关1 。 流体与壁面间的对流传热过程与流体的流动状况密切相关，讨论对流 传热首先要分析流体的流动状态。当流体流过壁面时，壁面附近的流体减 速，形成了流动边界层。边界层沿流动方向逐渐加厚，开始一段边界层为 层流，称为层流边界层。当边界层发展到一定程度，可由层流变为湍流， 为湍流边界层。在湍流边界层中，靠近壁面附近的一薄层内流体仍然处于 层流状态，为层流底层。在层流底层和湍流核心之间为缓冲层，流动边界 层的流动情况决定了流体与壁面间的对流传热机理。在层流情况下，流体 分层流动，层与层之间无流体质点的宏观运动，在垂直于流动方向上，热 量的传递通过导热进行。实际上，在传热过程中，由于流体内存在温度梯 度而产生自然对流的干扰，使得沿壁面的法线方向上存在着一定程度的对 流而使传热增强。在湍流边界层中，湍流核心部分与流动垂直方向上存在 着质点的强烈运动，热量传递主要依靠对流进行，导热所起的作用很小。 在缓冲层中，层内垂直于流动方向上质点的运动较弱，对流与导热的作用 大致处于同等地位。在层流底层只有平行于壁面的流动，热量传递主要依 靠导热进行。在稳定传热情况下，串联各层的温差和热阻成正比。对流传 热时，流体从主流到壁面的传热过程也为稳定的串联传热过程，热阻集中 于层流底层，因此从流体主流到壁面，流体的温度变化主要集中在层流底 层上，过渡层温度变化较小，湍流核心温度趋于平坦n ，。 对流传热主要有以下几个影响因素幅j 1 、进口段的影响 理论和实验研究表明，在管内进行对流传热时，在流体开始进入管内 一段距离内，对流传热系数a 变化很大。紧靠进口处口最大，然后迅速下 降，趋近于某一极限值。a 变化的这段距离称为进口段或不稳定段，进口 段内口变化的原因在于流体的速度和温度分布都还没有达到稳定。 工程上所用的对流传热系数一般为沿管长的平均对流传热系数。一般， 管内对流传热系数特征数的公式是在管长5 0 西下测定的，如果 8 0 0 0 ) ，横纹管的传热系数约为光管的2 5 倍。在 过渡区( r e = 2 0 0 0 一8 0 0 0 ) ，两者传热系数相差1 - 2 倍。在层流区( r e 9 5 多孔体，在低雷诺数下，由于弥散流动促使流 体形成湍流，从而强化传热。由于该元件空隙率大，因而其沿程阻力系数 较一般的多孑l 介质内插物低得多。 1 4 课题的提出及本论文的主要研究内容 管壳式换热器具有结构坚固、适应性强、选材广、易于制造及成本低 等优点，在化工等工业部门被广泛应用，尤其是在高温、高压和大型装置中 采用更为普遍。使用压力可达到3 5 m p a ，使用温度- 1 2 5 6 0 0 。板式 换热器是一种新型换热器”，在上个世纪开始提出，本世纪二十至三十年 代开始应用到工业中。在我国起步较晚但发展较快，被广泛应用在采暖、 化工、空调等领域中。它的结构比较简单，主要优点是结构紧凑、单位容 积所提供的传热面积( 2 5 0 - - 1 0 0 0 m 2 m 3 ) 大、材料耗量少、传热系数大， 一般可达1 2 5 6 0 2 0 9 3 4 k j m 2 h ，最小传热温差1 3 ，紧凑度达 2 2 0 m 2 m 3 。板式换热器与管壳式换热器比较，板式换热器具有的优点：金 属板材比金属管材价格低，可降低制造成本；板式换热器单位体积内的换 热面积比管壳式换热器的大，紧凑度高，实现相同换热量时占地面积小、 重量轻；在相同换热面积时板式换热器流通面积比管壳式换热器大、压降 小、最小传热温差小、热损失和阻力损失小。 寻求换热器高效化，小型化一直是各工业优化换热设备的主要方向。 对于船用核动力装置的小型化，进行换热设备小型化的研究是非常必要的， 鉴于板式换热器以上的优点，无疑成为实现换热器小型化的首选，但是在 船用核动力装置中，一回路系统的换热器在1 5 1 6 m p a 的高压力下工作， 二回路系统中大部分换热器的压力都高于板式换热器的使用压力，所以板 式换热器受到船用核动力装置较高压力和温度的运行条件限制不能得以应 用。为了提高和强化管壳式换热器的传热效率，近年来各国开展了许多研 究工作，除了对管壳式换热器的设计方法作改进外，主要是对该类换热器 的传热管件及结构作改动，从而实现强化传热。为了解决以上两种换热器 的缺点，出现了板壳式换热器，具有接近板式换热器传热性能的优点，承 1 0 哈尔滨1 二程大学硕十学位论文 压能力高于板式换热器。但是技术要求高，制造复杂，维修不方便，而且 造价高，难以得到推广。 扁管是由相同周长的圆管压制而成，扁管直边平壁的传热特点类似于 板式换热器中板束的传热，并且传热性能优于圆管，因此利用扁管制成的 扁管壳式换热器，将是兼有板式换热器紧凑结构和管壳式换热器优点的高 效换热设备。 扁管目前在车辆冷却传热上应用比较广泛，主要是由于扁管具有当气 流做横向冲刷流动时，传热系数大而阻力损失较小的优点。文献 3 1 3 4 】对 扁管单管及扁管换热器进行了实验研究，分析表明由扁管管束组成的扁管 换热器保留了管壳式换热器每根换热管单独存在的特点，局部扁管损坏方 便更换，具有管壳式换热器的结构简单，可靠性高，维修方便，可延长设 备使用寿命的优点。并且扁管中的流动介质类似于板式换热器的薄片状流 动，在流量相同条件下，其流速高、易于达到湍流，利于热交换，因此， 具有更高的传热系数。具有接近板壳式换热器的高传热性能的同时完全消 除了板壳式换热器板柬中大量纵向焊缝。扁管管束布管密度大，在壳径相 同时，其布管多，传热面积大，又加其传热效率高，故在传热量相同时， 其金属耗量少，有利于降低造价。 通过对扁管及扁管管束的传热和结构分析表明如果以扁管管束代替板 壳式换热器中的板束，制成扁管换热器，将使其制造大为简化，有效降低 造价。将是一种集制造简单，维修方便等优点于一身的换热设备，兼有板 壳式换热器高效性和传统管壳式换热器制造简单的优点，因而人们将逐渐 把这种强化传热方法应用到实现换热设备小型化当中，具有很好的应用前 景。 虽然对于扁管的传热已经有相关研究，但是从已有报道来看，对扁管 强化传热性质的研究多以空气为工质，以水为流动介质对扁管传热的研究 却比较少。本文针对船用核动力装置中换热器的工作条件以水为工质对扁 管管内换热和阻力特性进行了实验研究，并对扁管放置方式对换热的影响 进行了实验研究。 本论文的主要研究内容： 1 、对比三种不同几何尺寸扁管的传热实验结果，评价几何参数对扁管 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 传热性能的影响。对单根扁管与单根圆管进行管内传热性能对比实验，考 察圆管压扁后对传热带来怎样的变化。 2 、对单根扁管进行管内阻力性能对比实验，考察层流和紊流两种流态 下扁管的管内阻力性能，对三种不同几何尺寸的扁管进行对比，评价几何 参数对扁管管内阻力性能的影响。并与圆管的阻力性能进行比较，考察圆 管压扁后给流动阻力带来的变化。 3 、对扁管在套管内水平和竖直放置时的传热情况进行实验研究，考察 放置方式对传热的影响。 4 、实验分析扁管同一横截面外壁温度的分布特点。 5 、根据实验数据对实验结果进行回归得出扁管传热和流阻实验关联 式，为实际工程设计提供计算基础。 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章实验装置及实验数据的处理方法 2 1 传热实验装置 传热实验系统装置流程简图如图2 1 所示： 图2 1 传热实验装置系统流程简图 l ：水池；2 ：冷水循环水泵；3 ：热水循环水泵：4 1 1 ：阀门；1 2 、1 3 ：稳压罐；1 4 、 1 5 涡轮流量计；1 6 ：入口稳定段；1 7 ：实验段；1 8 ：出口稳定段；1 9 ：热电偶； 2 0 ：高位电加热水箱；2 1 ：水位计；2 2 ：电加热器： 传热实验装置由循环水系统、电加热系统、测量系统、控制系统、实 验段五部分组成。 1 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 1 1 循环水系统 整个实验过程是热水放出热量和冷水吸收热量的过程，循环水系统由 热水循环系统和冷水循环系统两部分组成。 热水循环系统：首先打开阀门5 ，启动冷水循环泵2 将水池内的冷水 通过阀门5 注入到高位电加热水箱，然后关闭阀门5 ，在电加热水箱内将 水加热到指定的温度5 0 ( 6 0 ) 左右，打开阀门9 ，启动热水循环泵3 将热水输送到管道内，由旁通阀1 0 将流量调节到固定值，热水经流量计 1 4 流入实验段1 7 的套管内，在实验段内经过换热后最终流回水箱。 冷水循环系统：启动冷水循环泵2 将冷水经阀门、流量计1 5 和入口稳 定段1 6 输送到实验段1 7 的管内，流量由阀门8 进行调节，冷水在实验段 内经过换热后，再流经出口稳定段1 8 流回到水池内。 2 1 2 电加热系统 电加热系统主要由高位电加热水箱构成。电加热水箱内有6 0 根4 k w 的电加热元件。水箱上设有玻璃水位计，以防止水位过高溢出或水位过低 烧毁电加热器。 这里用的电加热器都是在工厂中专门定做的，由普通的2 2 0 v 交流电源 供电，每个电加热器都有与之相连的熔断器，以起到保护作用。 2 1 3 测量系统 传热实验的测量系统包括温度测量、流量测量两部分。 1 、温度测量 实验中温度的测量采用铜一康铜铠装热电偶和镍铬一镍硅热电偶两种热 电偶，其中铜一康铜铠装热电偶用来测量电加热水箱温度、热水进出口温度、 冷水进出口温度。镍铬一镍硅热电偶用来测量实验管的外壁壁温。为保证温 度测量数据准确可靠，实验前对铜康铜热电偶和镍铬一镍硅热电偶在恒温 水浴中进行了标定。镍铬一镍硅热电偶用电容焊点焊在实验管的外壁，电偶 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 丝从法兰处导出，法兰之间放垫片，以达到密封的效果。 所有温度数据通过i m p 分散式数据采集系统输入p c 机，采用专门编 制的软件对实验数据进行采集、计算、显示的操作，实现对实验工况的实 时监测，同时还可以对所有的数据进行存盘、处理、打印，以供后期深入 研究使用。 2 、流量测量 实验过程中热水的流量用l w g y - 2 5 a 型号的涡轮流量计测量，流量计 的基本误差限为士0 5 ，流量范围在1 6 m 3 l l 1 0i n 3 h 。冷水流量的测量使 用l w g y - 1 0 b 和l w g y - 2 5 a 两种型号的涡轮流量计，l w g y - 1 0 b 型号流 量计的基本误差限为士0 5 ，流量范围在0 4i n 3 1 1 1 2m 3 h 。实验过程中 冷水流量的调节按照由d , n 大的顺序进行，当冷水流量小于0 4i n 3 h 时采 用称重法测量，当冷水流量在o 4m 3 1 1 1 2m 3 h 范围内采用l w g y - 1 0 b 型号流量计测量，冷水流量在1 6 m 3 h 1 0m 3 h 范围内采用l w g y - 2 5 a 型 号流量计测量。 2 1 4 控制系统 控制系统主要用于控制电加热器的开启个数以调节电加热水箱内热水 的温度，使输出的热水保持实验所需要的一个固定值。控制系统包括控制 台、调压器、交流接触器、控制按钮、控制变压器、熔断器等部分。 2 1 5 实验段 实验段为一套管式换热器，由实验管、套管、法兰组成，实验段结构 如图2 2 所示： 传热实验是在如图2 2 所示的水平套管换热器内进行的，以单相水的 对流换热为研究对象，以强化管为强化换热手段进行实验研究，套管换热 器内冷热流体的流动采用逆流布置方式。套管的内径为2 7 m m ，实验管总 长度1 2 0 0 r a m ，换热长度1 0 0 0 m m 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 冷水 图2 2 实验段结构简图 图2 3 扁管截面图 执 j 水 首先对圆管进行传热实验，对圆管的实验主要用于检验实验测量系统 的准确性，并为强化管的换热性能提供比较的标准。然后进行扁管的传热 实验研究。实验所用圆管为巾1 6 x l m m 规格的b 3 0 管，并以此管为基管加 工成横断面如图2 - 3 所示的扁管，本实验加工了三种几何尺寸的扁管，管 内高度h f 与基管内径d f 之比h f d f 分别为0 2 8 6 、0 4 5 和0 5 5 7 。套管外部 包裹了两层绝热材料，用以减少实验段向外界的散热损失。 2 2 阻力实验装置 阻力实验是在冷态下对不同几何尺寸的三根扁管进行流阻实验。考虑 到本实验中流量的测量范围比较大，阻力损失的变化范围也较大，所以把 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 阻力实验分两部分进行，以保证小r e 实验范围内压差测量和流量测量的 准确性，减小测量误差。 阻力实验系统装置流程简图如图2 4 所示： 图2 4 阻力测量的实验装置 实验分为两部分： 1 、流动驱动压头由高位水箱提供，压差测量选用倾斜微压水柱压差计， 流量由称重法测量。实验管内i 沁范围在9 0 , - - - 8 0 0 0 。通过阀门调节流量。 为了保证实验在稳定的压头下进行，高位水箱设置了溢流管使水箱液 位保持一个固定的高度。小压差测量时，如果压差计中介质密度过大，将 使压差计中液位高度的变化很难观察从而导致测出的数据精度低。所以在 本实验中小压差测量时以水作为压差计的测量介质，并采用压差计小角度 倾斜放置的方法，这样可以减小测量时的读数误差。实验中，水柱压差计 的倾斜角度设定为1 6 5 0 。 2 、流动驱动压头由自来水提供，压差测量选用水银压差计测量，流量 采用精度为0 5 的涡轮流量计测量。实验管内r e 范围在1 0 0 0 0 6 0 0 0 0 。 通过阀门调节流量。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 实验数据处理方法 2 3 1 传热的计算 在实验段的套管换热器中，热流体走壳程放出热量，冷流体走管程吸 收热量，由于实验管均为新制管子，并在实验前经过清洗，因此可以忽略 结垢热阻。在套管换热器内，冷、热流体间的热量传递由三个过程组成： 热量首先由热流体主体以对流的方式传递到实验管的外壁面，再通过厚度 为6 的管壁层传至内壁面，最后热量由内壁面以对流的方式传递到冷流体 主体。 冷热流体的换热量按下式计算： 冷流体： q = g f 肛( 一吃) ( 2 1 ) 式中：q 一管内流体吸热量，w ； g 一冷流体进口体积流量，1 1 1 3 s ； 肛一管内流体密度，k g m 3 ； 瓦一管内流体出口焓，k j k g ； 一管内流体进口焓，k j k g 。 热流体： q = g o p o ( h o , 一k ) ( 2 - 2 ) 式中：q o 一管外流体放热量，w ； g d 一热流体进口体积流量，m 3 s ； 成一管外流体密度，k g m 3 ； 一管外流体进i = 1 焓，k j k g ： k 一管外流体出口焓，k j k g 。 流体的物性参数按流体的进出口平均温度计算。 在实验过程中，保温措施采取得较好，可忽略散热量。实验段的换热 量按内、外侧换热量的算术平均值计算： 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 由传热基本方程式： q = 半 q = ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 可计算出总传热系数k 的值： 七：旦( 2 5 ) 地m 式中：q 一换热量，w ； 彳一换热面积，m 2 ； 蛾一换热平均温差，； 总传热系数在数值上等于单位传热面积，单位传热温差下的传热速率。 它反应了传热过程的强度。 彳为管外侧面积，习惯上，工程计算都以管外侧面积为基准。 对于圆管： a = z d l( 2 - 6 ) 式中：d 一实验管外径，m ： ，一实验管换热长度，m 。 换热壁面两侧流体传热温差的大小和计算方法与两侧流体的温度变化 情况以及两流体的相互流动方向有关。本实验换热平均温差按对数平均温 差计算： 蛾2 譬 沿7 ， 岔曲 管内传热系数a i 按牛顿冷却公式计算： 口一= 志 沦8 ， 7 r 口f i ( 。一f ，j 式中：d 一实验管内径，m ： 己一实验管内壁平均壁温，； e 一管内流体平均温度，。 1 9 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率， 它反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，表示传热快。 2 3 2 壁温及当量直径的计算 对实验管进行传热计算时，需要测量实验管的内壁壁温，但是，由于 管内壁温度不易测量，因此，实际测量的是管外壁平均温度，利用管壁导 热公式反推得到管内壁温度。 实验管外壁壁温按n 支热电偶测得结果的算术平均值计算： i 口2 去丢。乒 。( 2 - 9 ) 对于圆管内壁壁温： 。訾 沿1 0 ) 九一管壁导热系数，w m k 。 对于扁管，其横截面图如图2 3 所示，扁管的传热按两个平板和一个 圆筒的传热计算： q ：竿a wl - r 乙) + 掣( i 口一乙) ( 2 6 h 1 丝 噍 式中：a 7 平板换热面积，m 25 6 一换热管壁厚，m 。 由匕式可推出扁管内壁壁温： 0 2一一d；e 4 - 2 z ；t f l 一 一d 6 。h 鲁 ( 2 - 1 2 ) 扁管由于其特殊的几何形状，流动形态不同于圆管。水力半径咒是一 个综合反映断面大小和几何形状对流动影响的特征长度，把水力半径相等 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的圆管直径定义为非圆管的当量直径吃，即： 也= 4 r 其中： 心= 7 a 式中：a 一过流断面面积，m 2 ： 尸一湿周，m 。 扁管的当量直径按下式计算： 吃：寒 式中：x 为扁管横截面断平直段长度。 2 3 3 管内雷诺数、努谢尔数及流动阻力系数的计算 管内雷诺数r e 的计算： ( 2 一1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) r e = 型( 2 1 6 ) k 式中：一管内流体的平均速度，r r d s ； 嵋一管内流体的运动黏度，m 2 s 。 将管内传热系数换算成无量纲量n u ： m ：a , d( 2 1 7 ) 五 式中：五一管内流体的导热系数，w m k 。 流动阻力系数按照下式计算： 伸孚，等 倍 2 l 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 式中：，一测压长度，m ： 卸一实验长度内的压差，p a 。 2 4 本章小结 本章介绍了传热实验装置和阻力实验装置，给出了传热实验和阻力实 验装置的流程简图，并对实验装置的组成和各实验系统进行了简单的介绍。 最后介绍了实验参数的计算方法和实验数据的处理方法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章扁管传热与阻力特性的实验研究 3 1 实验过程及实验测试参数 本实验以单相水为介质，实验管内侧流过的是冷水，外侧流过的是热 水，保持热水的流量和入口温度不变，通过改变管内冷水的流量( 由小到 大) 考察不同管内r e 数下换热管的传热情况。实验首先用冷水循环泵将 电加热水箱注满水，启动电加热器对水箱内的水加热，直到水温达到6 0 ( 5 0 ) 左右。启动热水循环泵，使热水循环在1 6 m 3 h 的固定流量下工 作。启动冷水循环泵，调节冷水流量到实验的最小值，实验过程中根据热 水水箱测温热电偶反馈的温度及时打开或关闭电加热器，使热水的入口温 度保持不变，待换热稳定后，测取实验数据。数据采集结束后通过阀门调 节冷水流量到下一个实验点，重复上述实验步骤直至实验结束。 阻力实验是在冷态下用u 型管压差计测量冷却水在管内的沿程阻力损 失，两个测压孔间距离为8 5 0 m m ，实验首先将u 型管压差计中的气泡排 除，在小流量测量时，在准备就绪后，记下水柱差压计的倾斜角度。然后 通过阀门调节冷水流量( 由小到大) 。将冷水流量调节到实验的最小值，待 流量和压差计液位稳定后，读取u 型管压差计两侧液位值。然后调节流量 到下二个实验点，重复上述实验步骤直至实验结束。 实验过程中，待工况稳定后，再进行各种参数的测定。每改变一个工 况应有一定的时间间隔，在同一工况下，应测量几次数据，以便整理数据 时，剔除一些不合理数据。 实验过程中需要测试的参数及测试方法如下： 1 、冷、热水的流量由0 5 级的涡轮流量计测量，并由数据采集系统采 集。本实验所使用的流量计最小量程为0 4 m 3 h ，当冷水流量小于o 4m 3 h 时采用称重法测量冷水出口的流量，测量时注意秒表计时与量筒接水要同 步进行，为了保证流量测量的精确性，接水时间不少于3 0 秒。 2 、冷、热水进出口温度由布置在进出口的铠装热电偶测量，温度数据 用i m p 采集器采集，采集数据时间为o 5 分钟。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 、换热管的外壁壁温由焊接在外壁面上的镍铬一镍硅热电偶来测量， 温度数据用i m p 采集器采集，取各热电偶测量值的算术平均值为外壁面的 平均温度。 、7 7 _ 5 4 图3 1 热电偶布点图 对于扁管的换热按照两个平板和一个圆筒壁的换热计算，由于平板和 圆筒换热的情况不同，所以对于扁管同一个换热断面不同位置的外壁壁温 是不同的，因此同一个测温面要布置多个热电偶，应该在平板和圆弧处分 别布置热电偶，但是由于圆弧处热电偶不易焊接并且扁管的两个圆弧与套 管的距离非常近，热电偶焊接后易掉，所以只能在接近圆弧处焊接热电偶。 扁管的一个测温面的热电偶布置点如图3 1 所示，该测温面的温度取六个 热电偶的平均值，以确保壁温测量达到最大的准确度。 3 2 热电偶的标定与实验装置的验证 3 2 1 热电偶的标定 将两根不同的导体或半导体的一端焊接，另外两端作为输出就构成温 度检测元件热电偶。热电偶测温的基本原理：组成热电偶的两根导体或半 导体称为热电极，其焊接端称为热电偶的热端( 工作端或测量端) ，非焊接 端为热电偶的冷端( 自由端或参考端) 。在进行温度测量时，将热电偶插入 设备或管道中，使其热端感受被测介质的温度，而冷端需要置于恒定温度 中。这样会在热电偶的两个自由端上输出一定方向的和测量端温度成比例 的回路电动势。测量此回路点电动势就可推算出测量端的温度。 热电偶回路电动势在冷端温度固定不变后仅是测量端温度的函数，或 者说，只要采取一定的措施保证冷端温度恒温，热电偶的回路电动势通过 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相应的仪表就可以显示测量端温度的高低。如果热电偶在温度测量时，其 冷端温度没有固定，就肯定会给温度指示带来误差。可见热电偶测量温度 的关键是冷端温度的处理。将热电偶的冷端温度固定在o 时，回路电动 势和测量端温度的对应关系数据称为热电偶的分度表口”。 本实验使用两种热电偶，铜康铜热电偶和镍铬镍硅热电偶，其中铜一 康铜为铠装热电偶用来测量冷热水的进出口温度，镍铬镍硅热电偶焊接在 实验管的外壁面上用来测量外壁壁温，在实验前，将两种热电偶用精度为 0 0 5 的二级标准水银温度计在恒温水浴中进行标定。由于受周围环境温 度的影响，冷端温度难以自行保持为0 或某一定值，因此，为减小测量 误差，需对热电偶的冷端人为采取措施，使其温度恒定，本实验采用最为 常用的冰浴法进行冷端补偿。温度数据使用i p m 数据采集板采集，铜康 铜铠装热电偶标定值与分度表给定值的偏差小于o 3 ，标定曲线如图3 2 所示。镍铬镍硅热电偶标定值与分度表给定值的偏差小于0 8 c 。标定曲 线如图3 3 所示。 标定测得的铜康铜铠装热电偶电势值v ( m v ) 与温度值r ( ) 之间 的关系公式： f ：- 0 5 0 6 6 v 2 + 2 5 4 3 v + 0 3 4 3 4 ( 3 一1 ) _ 、 p 、_ ， 蜊 赠 0 。00 5l 。0l 5 2 o 2 5 3 o 3 。54 。0 电势( m y ) 图3 2 铜一康铜热电偶标定曲线与标准分度值对比图 加如柏如加加o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 标定测得的镍铬一镍硅热电偶电势值v ( m v ) 与温度值f ( ) 之间的 关系公式： f = - 0 2 8 0 7 v 2 + 2 5 7 1 3 v + o 3 0 5 4( 3 2 ) p 、_ ， 毽 赠 0 00 51 o1 52 o2 53 03 54 0 电势( m y ) 图3 3 镍铬一镍硅热电偶标定曲线与标准分度值对比图 3 2 2 实验装置的验证 对于管内湍流强制对流换热，实用上使用最广的关联式为迪图斯一贝尔 特( d i t t u s b o e l t t e r ) 公式m l ： n u ：0 0 2 3 r e o 8 p r “ ( 3 - 3 ) 加热流体时n = 0 4 ，冷却流体时1 1 = 0 3 。此式应用于流体与壁面具有 中等以下温度差的场合。式中采用流体平均温度r ，( 即管道进、出口两个 截面平均温度的算术平均值) 为定性温度，取管内径d 为特征长度。实验验 证范围：r e = 1 0 4 1 2 1 0 5 ，p r = 0 7 1 2 0 ，l d 6 0 。 实验首先以水为介质对圆管进行传热实验，然后进行强化换热管的实 验。对圆管的实验主要用于检验实验测量系统的准确性，并为强化管的换 热性能提供比较的标准。实验结果与迪图斯一贝尔特( d i t t u s b o e l t t e r ) 的经 如筘卯如如加m o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 验公式作对比，从而验证实验装置和测试方法是否可靠。由图3 4 从圆管传 热实验值与理论值比较可以看到，在r e = 1 0 4 1 2 x 1 0 5 ，p r = 0 7 1 0 0 的范 围内，努谢尔特数实验值与迪图斯贝尔特( d i t t u s b o e l t e r ) 修正公式( 3 - 4 ) 符合的很好，误差均控制在8 之内。 ，0 1 1 n u ：o 0 2 3 r e os p r0 4 f 丝l ( 3 4 ) i t 。 图3 4 圆管传热实验值与理论值比较 可见，本实验装置具有足够的准确性，实验方法和测量系统是可靠的， 所得结果具有一定的可信度。 3 3 扁管实验测试结果与分析 本节将在壳程热水入口温度为6 0 c ，体积流量为1 6 m 3 h 的实验条件 下，对三种几何尺寸的扁管在水平套管换热器内的传热，和冷态条件下的 流动阻力进行实验研究。考察了不同管内r e 下扁管的传热情况。并对扁 管在套管内水平和竖直放置的传热情况进行了实验研究。分析了影响扁管 传热的各种因素，并对实验现象进行了具体的分析。 2 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 3 1 圆管压扁后对r e 数的影响 由图2 3 扁管截面图可知，圆管被压扁后横截面积变小，所以相同体 积流量下管内平均流速会比圆管有所增加，但是圆管被压扁后会给r e 数 带来怎样的影响，还需要进一步的研究。 首先对圆管压扁后会对r e 数带来怎样的变化进行理论分析。 由管内雷诺数的计算公式： r p ：盟 ( 3 5 ) y ， 其中管内流速咋为体积流量与横断面积之比号。y ，为管内流体的运动 以 黏度。 对于非圆形截面的导管而言，在雷诺数的表达式中，需要采用一种与 直径不同的线性尺寸。这里用的特征尺寸是当量直径。 首先，水力半径的定义为”： 彳 毛2i ( 3 - 6 ) 此处彳是流体流过的横截面积，尸是湿周长度，这是流体接触到其固 体边界的那一部分截面的周长，也是流体流动时受到摩擦阻力的地方。对 于充满了流动流体的圆管而言，水力半径为： r h ：7 - r z ：三：一d ( 3 7 ) 2 7 r r2 4 水力半径是表示导管形状及尺寸的一个简便方法，因为在相同的截面 积下，r 值是随截面形状而变化的，在计算非圆截面导管中流动的雷诺数 时，通常4r h 为当量直径喀 由此可得： 肌兰4 丝= 4 旦p v净8 ，i p 彳 ，： 哈尔滨工程大学硕士学何论文 从公式( 3 - 8 ) 中可以得知，一定的情况下，r e 数只随体积流量和湿 周的变化而变化。虽然圆管被压制成扁管后横截面积彳变小，但是扁管是 由相同截面周长的圆管压制而成的，即尸不变，所以圆管与扁管在进口体 积流量相同时两者的r e 数是相等的。 图3 5 相同流量下扁管与圆管r e 数的关系 图3 5 是相同流量下扁管与圆管r e 数的实验对比曲线，由图可以观 察到，相同流量下圆管及1 群、2 撑、3 群扁管的r e 曲线基本重合。与上述理 论分析的结论一致。 3 3 2 扁管传热性能实验结果与分析 实验管件的几何尺寸如表3 1 所示，厅，d ，的大小反映了圆管被压扁的 程度，j i 2 f d