（安全技术及工程专业论文）纯工质在水平管内流动沸腾换热特性的实验研究.pdf

s u b j e c t ：e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o nf l o w b o i l i n g h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fp u r er e f r i g e r a n ti nh o r i z o n t a lt u b e s p e c i a l t y ：s e c u r i t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：j ih a i w e i i n s t r u c t o r ：匦硇w e n h u a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 五勉i 望i ( s i g n a t u r e ) 蔓坠喧坠 t h er e f r i g e r a t i o na r e c o n d i t i o n i n gs y s t e m sm i n i a t u r i z a t i o na n dt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n h a v ep r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h es t r e n g t h e n e dh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y t h ei n t e r n a l g r o o v e dt u b e si nr e c e n ty e a r sh a v eo b t a i n e dt h ew i d e s p r e a dv a l u ea n dt h ed e v e l o p m e n ti nt h e r e f r i g e r a t i o na r e - c o n d i t i o n i n gp r o f e s s i o n ，a st h e yh a v et h em e r i t so ft h el o wp r o d u c t i o nc o s t ， t h eg o o dh e a tt r a n s f e rs t r e n g t h e n i n ge f f e c ta n dt h es m a l lp r e s s u r el o s e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h o fh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei ns m o o t ht u b e sa n di n t e r n a lg r o o v e dt u b e sh a st h ec e r t a i nt h e o r y v a l u ea n dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nh o r i z o n t a ls m o o t ht u b e sa n di n t e r n a lg r o o v e d t u b e so fr 2 2a r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t si ns m o o t ht u b e sr 2 2a r ec a r r i e do u t 、析mt h em a s sf l u xr a n g e df r o m15 0t o 3 0 0 k g m 2 s ，h e a tf l u xf r o m10t o3 5k w m 2 ，e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ef r o m - 5t o5 0 ca n d v a p o rq u a l i t yf r o m0t o1 w h i l et h ef l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si ni n t e m a l g r o o v e dt u b e so fr 2 2a r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e dw i t ht h em a s sf l u xr a n g e df r o m15 0t o 3 0 0k g m 2 s ，h e a tf l u xf r o m10t o3 0k w m z ，e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ef r o m 一5t o50 ca n d v a p o rq u a l i t yf r o m0t o1 t h ec h a n g e f u lr u l e so fl o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw i t ht h e v a r i e t yo ft h em a s sf l u x ，h e a tf l u xa n de v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d l o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si ns m o o t h i n t e r n a lg r o o v e dt u b e sa r ec o m p a r e d t h eo b t a i n e dr e s u l t si ns m o o t ht u b ea r eu s e dt oc h e c kf i v ee x i s t i n ge m p i r i c a lc o r r e l a t i o n s f o ri n - t u b ef l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e ra v a i l a b l ei nl i t e r a t u r e k a n d l i k a rc o r r e l a t i o nc a np r e d i c t p r e c i s e l yl o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fr 2 2i nh o r i z o n t a ls m o o t ht u b e t h u s ，an e w c o r r e l a t i o nb a s e do nt h ek a n d l i k a r sc o r r e l a t i o nh a sb e e np u tf o r w a r db yi n t r o d u c i n ga m o d i f i c a t i o n ，a n dt h ee r r o r sb e t w e e nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dc o r r e l a t i o nr e s u l t si sw i t h i n 1 0 i nt h i sp a p e r ，i tc a na l s ob ec o n c l u d e d l a tt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tf a c t o ro ft w o t y p e so fi n t e r n a lg r o o v e dt u b e sw o u l di n c r e a s ea st h em a s sf l u x ，h e a tf l u xa n de v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r er i s e t h ee f f e c t so fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so fi n t e r n a lg r o o v e dt u b e so nt h ei n - t u b el o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t si sa n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ep r i n c i p l eo ni n t e n s i f y i n gh e a t t r a n s f e ri ni n t e r n a lg r o o v e dt u b e si sa l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：s m o o t h t u b ei n t e r n a lg r o o v e dt u b ef l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e r e m p i r i c a lc o e l a t i o n l o c a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h e s i s ： a p p l i e di n v e s t i g a t i o n 主要符号表 主要符号表 螺纹管齿顶角。 沸腾数b 。2 丧 定压比热k j k g k 对流数c o = ( 1 一x ) x n 8 ( 凤岛) n 5 直径m 当量直径m 电势m v 摩擦因子 流体依赖因子 弗劳德数f r = g 2 ( p 2 鲥) 重力加速度m s 2 质量流率k g m 2 s 比焓，k j k g ；换热系数，k w m 2 k 管长度m 努谢尔特数n u = 办d 兄 截面周长( 湿周) m 压力k p a 普兰特数 换热率k w m 2 质量流量k g l l 容积流量m 3 s 雷诺数r e f = g d ( 1 - x ) i t ， 温度 速度m s 干度 m a r t i n e l 擞x 。：( ! 兰) ( 刍0 5 ( 刍0 1 x p t” 换热段管长m 密度k 酊 导热系数w ( m ) 动力粘度：n s m 2 口 肋 印d以e厂易厅 g g 办m p p 只g 吼k ， ” x 瓦 止 p 力 主要符号表 仃表面张力n m 螺旋角度。 孝 阻力系数 下标： h水平 f 管内 ， 液相 0管外 p o o l 池沸腾 印 两相 v气相 w管壁 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；幻潮准日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 纫铂准指导教师签名：支缸 年月 日 1 绪论 1 1 沸腾换热机理研究现状 1 绪论 沸腾换热机理，人们已经进行了近半个世纪的系统研究。对于实际的非均质沸腾时 的汽泡形成机理，目前较普遍为人们接受的核化理论是固体表面凹形内腔穴残存或截留 蒸汽或不凝性气体模型；对于沸腾换热机理则以汽泡扰动模型、蒸汽液体交换模型、 微层蒸发模型和组合模型最具有代表性。这些理论和模型在一定程度和范围内对沸腾换 热作出了合理的解释，但有很大的局限性。汽泡扰动模型和蒸汽液体交换模型认为沸 腾换热系数高的原因是汽泡的扰动和容积对流引起的，但已有实验表明，汽泡的扰动最 多只能使对流换热强化4 倍【l 】，容积对流所导致的对流换热系数也小于沸腾换热系数：微 层蒸发模型虽然证明了微层蒸发对沸腾换热过程的重要性，却未能揭示微层蒸发换热率 高的内在机制。还有一些现象则很难用现有的理论作出合理的解释。如，小液滴和薄液 膜蒸发，尽管液体是过热的，但液体内或液固界面均不产生汽泡；彭晓峰1 2 j 等在0 6 x 0 7 x 4 0 m m 的微槽内进行流动沸腾换热实验时发现，在壁面过热度为2 8 时，热流密度已 高达1 0 6w m 2 ，而且流道进出口联箱内的加热面上均有汽泡产生，测量结果也显示流道 内已处于旺盛的核态沸腾区，然而既使借助数十倍的放大镜也观察不到槽内有汽泡生成 和存在。 随着研究的不断深入，有关沸腾换热机理的研究又取得了一些新的进展。彭晓峰【j j 等人引入了“汽化空间”和“拟沸腾”的概念，认为只有液体尺度大于必需的“汽化空间”时， 液体内部才会产生沸腾，出现汽泡。否则，液体内部不会出现汽泡，但液体仍具备通常 的核态沸腾条件，这时处于非平衡态的液体的比热远高于平衡态时的值。之后，又提出 了沸腾核化的异相扰动与叠加模型，认为相变的根源来自于异相扰动使液体失稳而发生 聚集态的变化。液体必须过热，这是失稳的前提，但温度本身变化的扰动在核化过程中 的作用相当有限。后来作者又进一步给出了流动沸腾汽泡生长所需条件的一个判断准则 关系式，这种尝试为流动沸腾机理的研究奠定定量描述的基础。曾丹荃 4 1 等人则用非平 衡热力学研究了汽泡的形成与生长过程，结果表明，汽泡内的蒸汽膨胀是沿多变过程而 不是饱和线进行的。b u y e v i c h 5 】等人在水平加热面上对汽泡在汽化核心上的形成情况进 行了分析和计算，结果发现，表面张力使汽泡的形状变化趋于球形，因此使汽泡更容易 离开壁面。 1 2 强化传热技术概述 强化传热技术是2 0 世纪6 0 年代蓬勃发展起来的一种改善传热性能的先进科学技术。 西安科技大学硕士学位论文 强化传热的主要内容是采用强化传热元件、改进换热器结构，从而缩小设备尺寸、提高 热效率、降低设备的投资和运行费用，或使受热元件得到有效的冷却、保证设备安全运 行【6 1 。 自从上世纪7 0 年代初发生世界性能源危机以来，随着现代工业的飞速发展，能源紧 张的状况愈演愈烈，能源费用在制造成本中所占的比率迅速增大；另一方面，能源问题 与人类环境和健康也密切相关。因此，世界各国确定了支持发展高效能源技术和利用再 生能源的方针，我国政府也制定了“节能优先”的能源战略，从而实现能源的可持续发展 【7 1 。因此，采用强化传热技术从而降低能耗无论是对工业生产企业还是对整个人类来说 都显得至关重要。 强化传热在工程技术领域中的应用是极为广泛的。无论是石油、化工、冶金、动力、 建材等传统的高能耗工业，还是在空间、电子、核能等高新技术领域，都可能涉及到强 化传热的问题。正因为如此，近几十年来人们一直在对传热强化进行极为广泛的研究和 探讨，力图从理论上解释各种强化传热技术的机理，并发现更为实用和经济的强化传热 技术，以便在工业上加以推广和应用。迄今为止，国内外公开发表的关于强化传热的论 文和研究报告达到几千篇，获得了数百项专利，其中相当一部分研究成果已在工业领域 得到广泛的应用并取得了良好的节能降耗效果博j 。 由于世界能源资源的储量有限以及人们生活水平的不断提高，不断向强化传热提出 新的要求，因此强化传热研究的广度和深度日益扩大并向新的领域渗透和发展。强化传 热的发展表现出高速度、实用性以及不断迎接高技术发展的挑战等三个突出特点。强化 传热的理论和技术日臻完善，己发展成为成熟的第二代传热技术。2 0 0 0 年，华南理工大 学传热强化与过程节能教育部重点实验室联合清华大学、西安交通大学等国内一些高校 和科研院所，承担了国家重点基础研究发展规划项目“高效节能中的关键科学问题”，力 图建立具有普遍指导意义的强化传热新理论，并在新理论的指导下开发第三代强化传热 技术。 提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的最有效措施是强化传热。强化传热技 术的研究和发展中，涉及面最广和研究最多的是对流换热强化。就对流传热而言，传热 强化技术就是当高温流体和低温流体在某一传热面两侧流动时，使单位时间内两流体间 交换的热量q 增大。从传热基本方程式 q = k 。么乙 可知，扩大传热面积么、增大平均传热温差l 和总传热系数k 。，均可提高传热效率， 在换热器的研究、设计和使用操作中，大多从这三方面来考虑强化传热过程。因某些措 施对传热的强化功能同时在上述一、三种途径中发挥作用( 如采用轧槽管同时具有扩大 传热表面积和增大总传热系数的功能) ，故具体的强化技术在传热强化途径中的类别划 分不很严格，通常将其归类于起主要作用的途径。 2 1 绪论 ( 1 ) 扩大传热面积 通过扩大传热面积增加换热量是强化传热的一种有效途径。传统的方法通常是以增 加传热管数来增大传热面积，但其设备投资与传热面积呈线性关系增加，并且设备的体 积与基础设施也相应增加，这在地方狭窄、结构紧凑的化工系统作扩容改造时也将成为 关键性难题。因此，扩大传热面积不应靠加大设备的尺寸来实现，而应从设备的结构来 考虑，提高换热器的紧凑性，用最少的材料取得最大的传热量。一般通过采用扩展表面 的方法来增加单位体积设备的有效传热面积，如在对流传热系数较小一侧的热传递基本 面上附加翅片、筋片、销钉等p j 。 ( 2 ) 增加平均传热温差 增加传热的平均温度差也是强化传热的一种有效方法，但受到生产工艺条件以及经 济性等的限制，其主要措施是通过对传热面的合理布置，尽量使冷热流体逆流或接近逆 流。因此，在实际应用中，增加平均传热温差来强化传热途径的方法只能在有限范围内 采用。 ( 3 ) 提高总传热系数 提高总传热系数以增加传热量，是强化传热的重要途径，也是当今传热强化研究的 重点。当换热器中的平均传热温差和换热面积给定时，提高换热器的传热系数是增大传 热量的唯一方法。传统的管壳式换热器一般是采用提高管程或壳程的流体流速”来增大 k 。，但这种方法需要付出较高的代价。以充分湍流条件的对流换热为例，k 。与“的关 系近似有k 。o c u n 8 ，流动压降p 与u 的关系近似有po c u 2 ，这表明k 。要提高1 倍， 流阻要增加约3 倍以上，其原因在于流体传热的阻力主要集中在管壁的传热滞流层中， 简单地提高流速会大大增加管中心区流体的湍流度，消耗流体输送功，而对减薄管壁的 传热滞流层厚度作用不太显著，结果只能以较高的能耗代价换取较低的k 。值增幅。 对此，国内外学者提出了很多行之有效的方法来提高换热器的传热系数从而强化传热。 例如，采用各种强化传热元件( 管内插入物、各种强化传热管等) ，应用新型壳程折流支 承结构( 双弓形折流板、碟环形折流板、折流杆、空心环、螺旋形折流板等) 。 1 3 水平管内流动沸腾换热研究现状 管内流动沸腾换热是制冷、空调设备，以及其它许多工业设备中非常重要的换热过 程，工质与设备间的换热性能直接关系到设备的经济性、运行的安全性以及可靠性。因 此，为了追求高效的换热效果，人们研制了各种不同类型的强化换热元件，其中内螺纹 管的应用最为常见。各种工质在内螺纹管中的流动沸腾换热特性的研究具有重要的实用 价值和理论价值。 目前国内外有诸多学者致力于管内流动沸腾换热的研究。t a k a m a t s u 等人u o j 研究了 r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 1 1 4 和r 1 2 在水平光滑管内的流动沸腾换热系数，实验段长6 m ，内径 西安科技大学硕士学位论文 7 9 m m ，采用流体加热。其中r 1 3 4 a 的实验参数范围为质量流速2 3 5 到3 0 6 k g m 2 s ，热流 密度2 7 到8 5 9 k w m 2 ，依据获得的实验数据，他们提出了一个适用于纯工质环状流下的 换热系数关联式。 t o r i k o s h i 等人【1 1 1 2 】对r 1 3 4 a 在水平光滑管以及内翅管管内的流动凝结和蒸发换热 系数以及压力降进行了实验测量。实验段为内径9 5 m m 、长4 m 的光滑管及内翅管，采 用流体加热和冷却方式。工质饱和温度为5 3 0 ，质量流速为4 5 到2 0 0 k g m 2 s 。他们 的实验结果显示出在相同的质量流速下r 1 3 4 a 的凝结和蒸发换热系数比r 1 2 大约高2 5 ，而压降在蒸发换热时大约比r 1 2 高出1 0 。 张小力【1 3 】对r 1 3 4 a 在水平光滑管内的流动沸腾换热也进行了比较细致的研究，实验 段加预热段总长5 7 m ，内管径1 0 m m ，采用电加热方式。他们测得的数据表明r 1 3 4 a 的沸腾换热系数比r 1 2 高3 2 2 4 3 3 ，根据实验获得的数据，他们也提出一个自己的 实验关联式。 k o y a m a 1 4 】等人结合传热关联式的分析，对r 2 2 、r 1 3 4 a 和r 1 2 3 在水平内螺纹管内 的强化换热机理进行了研究。实验段为外径1 0 m m 、管长6 m ，采用流体加热方式。k o y a m a 得出的强化系数是2 0 左右，且x = 0 9 时，壁温发生飞升，换热系数迅速下降。k o y a m a 从肋效率的角度提出强化机理的一种观点，他认为，由于翅高h 一般低于o 3 m m ，所以， 肋效率可认为等于1 。因而，在核态沸腾的条件下，翅表面的作用相当于管内壁的基面， 这样，就大大增加了核化点。 s e y o o no h t ”】研究了5 种螺旋角( 1 3 = 6 0 ，1 2 0 1 8 o 2 5 o 4 4o ) 对换热系数的影响。 实验段为外径9 5 2 m m 、管长1 5 m ，采用电加热方式。根据其实验结果，最佳螺旋角取 决于工质的质量流量。当g = 5 0 k g m 2 s 时，1 = 1 8 0 最好；当g = 1 0 0 k g m 2 s 时，p = 6 0 为佳； 而当g 增加到2 0 0k g m 2 s 时，以d = 6 1 8 0 为宜。因而该文作者认为，在设计蒸发器时， 设计者应针对不同的流量选用不同的螺旋角。 陈剑波等人【l6 】对r 2 2 在内螺纹管内进行了实验研究，实验段为外径1 5 8 m m 、管长 1 4 6 m ，采用电加热方式。实验得出的强化系数为1 5 2 0 。而周杰等人1 1 7 j 也对r 2 2 在一 种水平三维微肋管内进行了试验。所谓三维微肋管是一种新研制的强化管。它是由两组 微细沟槽切割相交而成，其中一组微细沟槽平行于管子的轴线，而另一组微细沟槽与管 子轴向成8 9 0 螺旋角。实验段为外径1 6 m m 、管长1 0 m ，采用流体加热方式。管内翅高 0 2 m m ，翅密度为9 1 翅c m 2 和2 3 7 翅c m 2 。强化系数分别为1 9 2 6 和2 0 3 2 。另外， 从文献【1 8 1 9 】的实验结果来看，即使在较高的质量流量下，当x = 0 8 0 9 时，并未有换热 系数急剧下降的趋势，只是稍有下降。这与c h a m 期【1 8 】等人的结果类似。 k u o 1 9 】等人采用的也是一种双向内螺纹管，外径为9 5 m m ，管长为1 3 m ，工质为r 2 2 。 该文献研究了热流密度、质量流量和蒸发压力对换热系数的影响。在他们所进行的试验 范围内换热系数a 近似与q o 2 4 成正比，且受质量流量的影响很大。作者认为，当g = 4 1 绪论 1 0 0 k g m 2 s 时，流动属分层流或是分层流与环状流的交界区域，而当g = 3 0 0 k g m 2 s 时， 流型已完全属环状区，因而，换热强度增加。k u o 得出的强化系数为2 2 ，且在其试验 范围内不随质量流量和热流密度变化。在这之前，k u o 2 0 】等人还在直径为7 m m 的单向 内螺纹管内做了试验。质量流量和热流密度的试验范围大致相同，而a 与qo 4 5 成正比， 强化系数为1 6 。 1 9 9 8 年，m u z z i 0 1 2 1 】在其发表的文献中，介绍了又一种新型的内螺纹管，并与常用 的内螺纹管进行了比较。所谓新型管( m i c r ov a ) 是一种在同一单旋螺纹管内有两种翅高 尺寸的管子。该管翅数比其他两管( v 型和w 型) 略少一些，且两种高度的翅片相间排列。 实验结果表明，这种新型管( v a 型) 的蒸发换热系数比另两种高，在低质量流量下，强化 系数最高可达4 o ，比其他两种高出1 0 。2 0 。而据作者介绍，此时三种管子的压力损 失却相差不多。 综上所述，工质在管内流动沸腾换热的现象非常复杂，目前对工质换热规律的研究 还远远不够充分，都是在教窄的工况范围研究的，并且认识还非常局限，观察到的现象 和规律还有很多难以解释，离工程实际应用的需要还差很远，迫切需要我们加强沸腾换 热方面的研究。 1 4 本文的研究目的和意义 沸腾【2 2 l 是通过大量气泡的形成，成长和运动将工质由液态转换成气态的一种剧烈的 蒸发过程，是一种伴随气液相变的热量传递过程。 沸腾换热特性随发生的条件不同而不同，它与加热面的构成、传热方向和途径、系 统压力、温度及其壁面分布、沸腾介质的物理性质流动条件等多种因素有关。在实际的 沸腾过程中，由于单个汽泡的产生、增长、脱离过程机理复杂，并带有多样性和随机性， 运动过程中，相互干扰和影响，增添了复杂性。 随着生产的发展和技术的提高，人们对沸腾换热机理的认识也逐步地加深，为了提 高沸腾换热设备的效率，减少能量的传递过程和不可逆损失，更合理和有效地利用能量， 减少换热面积，降低金属消耗量，尽可能地降低沸腾换热元件的壁面温度，保证沸腾换 热设备的安全运行等生产实际的需要，自2 0 世纪6 0 年代以来，已提出并实施了各种各 样的强化沸腾传热的方法。在近十几年来，对于强化沸腾传热的机理分析与实验研究， 新的强化方案的探索以及强化表面的最佳结构尺寸，低成本强化表面的制造工艺等，一 直是传热工程界的热门研究课题，并且发展得十分迅速。而在各种强化沸腾传热手段中， 现实而最为有效的办法是采用各种类型的强化传热沸腾表面。 强化流动沸腾换热的方法可分为两大类：流动强化方法和表面强化方法。流动强化 是指主要通过改善流体的流动特征，即对流换热来强化流动沸腾换热的方法。例如，在 管内插入各种扰流器，可以增强流体紊流扰动从而改善换热。而表面强化则是指通过增 西安科技大学硕士学位论文 大换热面积，改善其壁面特性使之为核沸腾提供更为有利的条件，如采用低肋管，沟( 槽) 化表面和采取表面涂层处理措施等。因此，流动强化方法是改善流动沸腾中的受迫对流 换热方式，而表面强化方法则是改善核沸腾换热方式。但是两种方法并没有明确的界线。 例如，对于低肋表面，它一方面增大了换热的有效面积，为核沸腾提供了更优越的成核 条件；另一方面它也不同程度地增大了流体介质的扰动，强化了对流换热幽】。 本文的研究目的是为了进一步提高换热设备的效率，减小换热器的阻力，减小能量 传递过程的不可逆损失，更合理地和有效地利用能量；减小换热面积，使换热设备更紧 凑，节省换热器的体积和重量；尽可能降低换热元件的壁面温度，保证换热设备的安全 运行。 有些工质的沸腾换热系数相当低，如在制冷、化工及低焓能源利用工业与技术部门 广泛利用的低沸点工质。强化这些工质的沸腾换热就成为改善这类换热设备的关键问 题。在许多换热设备中，尤其是在原子能反应堆、高温高压锅炉、高速高效冷却器等设 备中，进一步强化这些工质的沸腾换热，提高沸腾临界热负荷，是关系到设备能否安全 运行的重大问题。因此，强化沸腾换热已成为现代传热科学十分引人注目又势在必行的 研究课题。 管内流动沸腾换热是传热研究领域的一个重要分支。水平管作为沸腾换热的一种， 广泛应用于动力、核能、化学以及各种加工工业的换热设备和制冷空调工业之中，所以 研究水平管内沸腾换热在生产和生活中占有重要地位，它对于节约能源，减少贵重金属 的消耗，减少设备体积以及降低生产成本有着重要的实用价值。 同时，制冷空调系统的小型化、节能化促进了强化换热技术的发展。内螺纹强化管 由于具有制造成本低、换热强化效果好以及压力损失小的优点，近年来在制冷空调行业 获得了广泛的重视和发展。因此本文研究工质在光滑管和内螺纹管内的换热性能，具有 一定的理论价值和实际意义。 1 5 本文拟完成的任务 本文将对r 2 2 在水平光滑管和内螺纹管中流动沸腾换热进行实验研究和理论分析 与计算，拟完成的工作将包括： ( 1 ) 对r 2 2 水平光滑管内流动沸腾换热特性进行比较全面和细致的实验研究，总结 出热流率、干度以及质量流率等参数对其换热特性的影响规律，同时获得一批可靠的基 础数据。 ( 2 ) 对r 2 2 水平内螺纹管内流动沸腾换热特性进行比较全面和细致的实验研究，总 结出热流率、干度以及质量流率等参数对其换热特性的影响规律，同时获得一批可靠的 基础数据。 ( 3 ) 分析比较水平管内沸腾换热的各种理论关联式。 6 1 绪论 ( 4 ) 根据不同管内的实验数据，选择较吻合的理论预测模型( 筛选关联式) ，进行相 应的光管、内螺纹管的传热性能及流动特性的比较，揭示其强化传热的机理。 ( 5 ) 在水平光滑管和内螺纹管内进行沸腾换热与流动的比较。 ( 6 ) 对内螺纹管分析齿高、螺旋角及其齿形参数对沸腾换热性能的影响。 1 6 本章小结 ( 1 ) 现代工业的飞速发展，能源紧张的状况愈演愈烈，采用强化传热技术从而降低 能耗无论是对工业生产企业还是对整个人类来说都显得至关重要。因此对换热器的换热 性能的研究有一定的作用； ( 2 ) 对强化传热技术进行了分析，提出应从三个方面来考虑强化传热的过程； ( 3 ) 综述了沸腾换热机理和水平管内流动沸腾换热的国内外研究现状，认为本论文 的研究具有一定的价值； ( 4 ) 提出了本论文的研究目的、意义和内容。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 r 2 2 在水平光滑管和内螺纹管内流动沸腾换热实验 到目前为止，实验依然是对各种工质管内流动沸腾换热进行研究的主要手段。可靠 的沸腾换热的基础数据和换热系数的计算式是换热器设计、设备改型等各项工作开展的 基础。如本文第一章所述，对水平管内流动沸腾换热特性的研究也远不够充分，因此对 它们进行细致的实验测量，获得一批可靠的基础数据，同时研究其规律性就显得尤为重 要和迫切。 2 1 实验装置 2 1 1 实验系统 实验系统如图2 1 所示，主要由一个工质回路和两个水回路组成。其中工质回路主 要由压缩机、油分离器、水冷冷凝器、储液器、干燥过滤器、电子膨胀阀、套管式蒸 函电子膨胀阀d 马文丘里流量计 = 涡轮流量计 1 压缩机2 油分离器3 水冷冷凝器 4 冷凝器水箱5 储液器 6 干燥过滤器7 套管式蒸发器8 蒸发器水箱9 气液分离器 图2 1 实验系统示意图 8 2r 2 2 在水平光滑管和内螺纹管内流动沸腾换热实验 发器、文丘里流量计和气液分离器等部分组成。冷却水回路主要由冷凝器水箱和水泵等 部分组成。热水回路主要由蒸发器水箱、水泵、涡轮流量计、实验段夹套等部分组成。 实验装置的设计原则是可以进行沸腾换热实验。实验系统装置如图2 1 所示，压缩 机排气经过油分离器后，进入壳管式水冷冷凝器，由冷凝器出来的过冷液体进入储液器， 储液器中的液态制冷剂经干燥过滤后，通过电子膨胀阀节流降压，进入蒸发换热实验段， 吸收套管内水的热量而蒸发，由实验管出来的饱和蒸汽或饱和蒸汽与饱和液体的混合物 汇合，经气液分离器后进入压缩机，由压缩机排出的过热蒸汽，又进入下一轮循环。 该实验装置可以通过调节冷凝器冷却水温，蒸发器冷水水温和电子膨胀阀的开度， 调节制冷剂的冷凝压力、蒸发压力和入口过冷度。 在系统中，设有气体和液体两个旁通，旁通量依靠电子膨胀阀调节，通过气体和液 体这两个旁路的调节作用可实现主回路中制冷剂流量的调节。另外，液体旁通还可避免 压缩机吸气温度过高而造成排气温度过高的现象，热气旁通可调节压缩机吸气过热度， 避免压缩机的吸气温度过低。 为了避免由于液体旁通过多造成吸气带液、压缩机损坏的现象产生，在实验装置中 压缩机吸气侧设置气液分离器，将液体分离，气体吸入压缩机。 在膨胀阀前有一个储液器，储液器置于一个水槽内，水槽底部有一个功率可调的电 加热器。电加热器的热量通过水传给制冷剂，调节电加热器功率，即可改变膨胀阀进口 制冷剂液体的过冷度，调节和补充制冷系统内各部分的液体循环量。 冷却水回路：冷凝器水箱中的水在水泵的作用下进入冷凝器，与高温制冷剂蒸汽进 行热交换，气态制冷剂冷凝为液态，而水的温度则升高，由冷凝器出来的温度较高的水 又流回冷凝器水箱。 蒸发实验段热水回路：蒸发器水箱中的水在水泵的作用下流出，然后进入蒸发实验 段中的套管型换热器，与管内的制冷剂换热，管内制冷剂吸热蒸发，管外环形空间内水 的温度降低，由套管型换热器出来的温度较低的水又流回蒸发器水箱。 当系统持续运行时，冷凝器水箱内的水温不断升高，蒸发器水箱内的水温不断降低， 造成冷凝器冷却能力下降，蒸发器套管中的水提供热负荷不足。为了避免这种状况的发 生，在蒸发器水箱中布置了两个功率可调节的电加热器。同时在管路设计上，蒸发器水 箱和冷凝器水箱中的水可互相混合。 2 1 2 实验段 图2 2 为蒸发换热实验段的结构图，它由三个套管型换热器组成。实验段分为三部 分：第一部分为水平光滑管，实验段的总有效换热长度为3 2 m ，共分1 0 个局部换热段， 内管采用8 m m 内径，9 5 2 m m 外径的光滑表面紫铜管，第二、三部分都为水平内螺纹强 化管( 两种强化管的几何参数如表2 1 所示) ，实验段的总有效换热长度为2 6 m ，共分8 9 西安科技大学硕士学位论文 个局部换热段，同时内管也采用紫铜管。实验段的外管为3 4 ”的镀锌管，制冷剂在紫铜 管内流动，水在内、外管之f b q l 拘g 型空间中流动，并且采用逆流布置方式。在水套管的 外侧还用泡沫保温材料进行包裹，避免壁面与外界的热交换。 制冷剂出 0 水出 图2 2 蒸发换热实验段结构示意图 表2 1 内螺纹管的几何参数表( 长度单位m m ) 制冷剂进 卜 沿着实验管的长度方向每3 0 c m 布置有三个o 2 m m 的铜康铜热电偶，其中两个焊 接在铜管外壁上，分别用来测量铜管两侧的管壁温度。另外一个直接插入套管水流中， 测量套管中水的温度。制冷剂的温度用铜康铜热电偶在实验段的每一根蒸发换热管的 进出v i 位置处测量。 在蒸发换热实验段中，光滑管上共有1 1 个测温位置，两根强化管上各有9 个测温 1 0 2r 2 2 在水平光滑管和内螺纹管内流动沸腾换热实验 位置，每一位置布置有三个热电偶，加上每根实验管进出口处以及其它位置的热电偶， 整个实验段上共布置了8 6 对热电偶。 2 2 参数的测量 如前所述，我们在整个实验段上布置了8 6 对热电偶，再加上测量夹套侧水温的热 电偶、测量工质回路各处工质温度的热电偶、测量压力降的差压变送器等等，这些参数 都需要采集。 为了完成上述的采集任务，同时完成实验过程中必须同时完成的一些计算工作，在 实验系统中，利用计算机来实时采集和处理实验数据，控制实验仪器，这样不仅快捷准 确，能够实现动态采集，而且具有很大的灵活性和扩展性，可以根据实验目的修改软件 来达到实验的要求。 2 2 1 温度 温度的测量采用热电阻和t i ) 0 2 m m 的铜康铜热电偶进行测温。 热电阻的测量方法采用四线法，主要是两线法和三线法不能有效消除误差，影响测 量精度。本实验采用研华公司研制的隔离热电阻输入模组a d a m 3 0 1 3 将电压作为输出 信号。a d a m 3 0 1 3 使用光耦合隔离技术，提供三路( 输入、输出和电源) 1 0 0 0 的 隔离，以保证用最小的功耗提供较大范围内操作信号的准确度和稳定性。a d a m 一3 0 1 3 模组可接受电压、电流、热电偶和热电阻作为输入，同时输出电压和电流。a d a m - 3 0 1 3 模组的输入阻抗为2 m f l ，输出阻抗为5 q ，精度很高，为满量程的- 4 - 0 1 。 热电偶测量回路中产生的热电势反映的是两端点之间的温度差，通常冷端并不是处 于0 。c 的环境中，而是在变化的室温环境中。因此，为了达到准确测量温度的目的，通 常要采用冷端温度补偿方法。常用一种冷端温度补偿方法是冰浴法和使用c j c 冷端补偿 电路。 本实验采用一种新的冷端温度补偿方法【2 4 1 ，不需要冰水槽或补偿电路。在计算机采 集系统中，将热电偶的冷端直接接到端子板上，测得被测点和冷端温差形成的热电势， 再用铂热电阻测得冷端( 即环境) 的温度，根据中间温度定律求出测量端温度。这种方法 的精度很高，还能实时显示和处理，充分发挥了计算机自动采集的特点。 热电偶的热电势与被测温度的单值函数关系是以冷端温度为0 。c 时得出的，所以欲 利用其单值函数关系式求得温度必须使冷端温度为0 。c 。当热电偶的冷端( 参考端) 温 度不为0 。c 时，测量回路中的热电势是由测量端温度f 和冷端温度“之间的温差产生的热 电势e ( t ，“) ，根据中间温度定律，只要将e ( t ，“) 加上两结点温度为气和0 。c 时的热电势 e ( f 0 ，o ) ，即可得到冷端温度为0 。c 的热电势e ( t ，o ) ，即： e ( t ，0 ) = e ( t ，“) + e ( t o ，0 ) ( 2 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 在用铂电阻测得电阻值后，利用电阻值与温度的单值函数换算成温度“，再根据温 度与电势的单值函数将温度t 。换算成电势e ( t 。，0 ) ，而e ( f ，f 。) 是可以直接测出的，这样得 到e ( t ，0 ) 后即可推算出被测温度f 。 在本次实验中，对使用的热电偶在2 0 7 0 。c 、铂热电阻在3 9 8 3 1 1 2 。c 的温度范围 内进行了标定。 根据标定结果，所拟合的热电偶特性曲线的函数关系式为： 巨= 3 7 8 2 9 x1 0 2 t + 5 9 2 5 8x1 0 5 f 2 ( 2 2 ) 所拟合的热电阻阻值和温度之间的函数关系： r = 1 0 0 + 0 4 0 1 8 t 一5 1 6 0 x1 0 4 t 2 ( 2 3 ) 经过铂电阻模块a d a m 一3 0 1 3 转化后，在o 1 0 0 范围内，电压与温度呈线性关系 口5 】 o ， e 只= 去 ( 2 4 ) 么u 2 2 2 压力与压差 压力的测量采用西安中飞航空传感技术有限公司生产的扩散硅压阻式压力变送器。 它由压力传感器和变送电路组成。这种传感器利用半导体硅的压阻效应和集成电路技 术，制成周边固定支承的电阻条与硅膜片一体化的硅杯，受到压力时电阻发生变化，经 过变送电路转换为4 。2 0 m a 的电流信号输出。这种传感器具有灵敏度高，动态响应快、 工作温度范围宽、稳定性好、易集成化等一系列优点，因此应用日益广泛。由于半导体 材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化影响后，将产生零位漂移和灵敏度漂 移。所以采用温度补偿电路来消除温度变化的影响。压力变送器由传感器和变送电路组 成，输出4 n 2 0 m a 的标准电流信号，进而转化为1 5 v 的电压信号，这一电压信号与被 测压力成线性关系： p = 2 5 2 2 0 4 8 v 一2 5 2 7 7 8 1 ( 2 5 ) 压降采用麦克传感器有限公司生产的m d m 4 9 0 型压阻式差压传感器进行测量，量 程为0 。4 0 k p a 。这种差压传感器的工作原理是基于某些材料的电阻值随压力的变化而变 化的原理制成的，并通过变送电路将这一电阻的变化转变为4 2 0 m a 的电流信号，进而 转化为1 5 v 的电压信号，这一输出的电压信号与被测压差成线性关系： z i p = 4 0 ( 矿- 1 ) 4 ( 2 6 ) 流量测量中的文丘里管节流压差式流量计的压差采用量程为0 。7 k p a 的电容式压差 传感器来测量，电容式压差传感器工作原理是电容器的电容量由其两个极板的大小、形 状、相对位置以及极板之间的电介质的介电系数决定。极板面积和介电系数一定时，可 1 2 2r 2 2 在水平光滑管和内螺纹管内流动沸腾换热买验 以通过测定电容量的变化量来求得极板间的位移变化量，进而求得被测压力的变化。实 际测量中将固定极板放置于两块可动极板之间，当压差变化时，一个电容的电容量增大， 而另一个电容的电容量减小，电容的变化量转换电压。再经过变送电路的处理，输出 4 - 2 0 m a 的电流信号，进而转化1 5 v 的电压信号，电压信号与压差成线性关系： p = 7 ( 矿一1 ) 4 ( 2 7 ) 2 2 3 流量 制冷剂的流量用文丘里管节流压差式流量计来测量，其测量原理为当流体流经节流 元件时，产生局部收缩，其流速增加，静压降低，在节流元件前后产生静压差，流量越 大，静压差也越大。利用静压差，就可利用如下关系式计算出流量： q 。= 3 6 0 0 o f e 三d 2 2 p l 卸 ( 2 8 ) t 其中： g 。：制冷剂的质量流量，单位：k g h ； o f ：流量系数，口：c 、而，无量纲； c ：流出系数，无量纲； ：直径比，