（核能科学与工程专业论文）扁管单相对流强化换热研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 本文以单相水为介质，在热水流量和入口温度一定的条件下，通过改变 冷水流量来改变实验工况，对斜微肋扁传热管管内单相对流换热进行了实验 研究。对比了光滑管和斜微肋扁传热管的换热性能，并研究了几何尺寸对斜 微肋扁传热管强化换热性能的影响。 实验结果表明：斜微肋扁传热管对比于光滑扁管和微肋圆管具有更好的 强化换热性能，当管内船数大于1 0 4 时其强化效果尤为突出。斜微肋扁传热 管的换热性能与当量直径和肋高有关。肋高相同时，当量直径越小，斜微肋 扁传热管的换热效果越好；当量直径相同时，肋高越高，斜微肋扁传热管的 换热效果越好，在3 0 0 0 r e 1 0 4 这一区域，肋高的影响尤为明显。 本文应用f l u n e t 软件，分别对当量直径不同的光滑扁管和肋高不同的 微肋圆管的传热及阻力性能进行数值模拟计算，得到管内温度场和速度场的 分布特性。对计算结果进行比较，确定光滑扁管和微肋圆管强化换热的影响 因素。在场协同原理的指导下，研究了光滑扁管、微肋圆管和斜微肋扁传热 管的强化传热机理。 数值计算结果表明：光滑扁管的强化换热性能与当量直径有关，当量直 径越小，光滑扁管的换热效果越好，但同时增大了阻力；光滑扁管同一横截 面的外壁面温度不同，圆弧段壁面的温度高于平直段壁面温度；微肋圆管的 强化换热性能与肋高有关，肋高越高，微肋圆管的换热效果越好，但阻力系 数也随之增大。 关键词：单相对流；强化换热；斜微肋扁传热管；光滑扁管；微肋圆管 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t u s i n gs i n g l e p h a s ew a t e ra sw o r k i n gf l u i d ，e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t et h es i n g l e - f l o wc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro fm i c r o f i nf l a tt u b e s t h e s e e x p e r i m e n t sw e r ef i n i s h e d o nc o n d i t i o n st h a tt h ef l o wr a t ea n dt h ei n l e t t e m p e r a t u r eo ft h eh o tw a t e rw e r ec o n s t a n t ，a n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r e c h a n g e db ya d j u s t i n gt h ef l o wr a t eo ft h ec o l dw a t e r t h ec o m p a r i s o no fh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sw a sm a d eb e t w e e ns m o o t ht u b e sa n dm i c r o f i nf l a tt u b e s ， a n dt h ei n f l u e n c e so fd i m e n s i o n so ne n h a n c e dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o - f i nf l a tt u b e sw a sa n a l y z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h es m o o t hf l a tt u b ea n d t h em i c r o f i nr o u n dt u b e ，t h em i c r o f i nf l a tt u b eh a sb e t t e re n h a n c e dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yw h e nr e y n o l d sn u m b e ri sh i g h e rt h a n10 4 t h eh y d r a u l i c d i a m e t e ra n df i nh e i g h tc a ni n f l u e n c eh e a tt r a n s f e ro fm i c r o f i nf l a tt u b e s w h e n t h ef i nh e i g h ti ss a m e ，t h em i c r o f i nf i a tt u b ew i t hs m a l l e rh y d r a u l i cd i a m e t e rh a s b e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nt h a tw i t hl a r g e r , w h i l eh 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 fh i g h e rf i ni sb e t t e rt h a nt h a to fl o w e rm i c r o - f i ni ft h eh y d r a u l i c d i a m e t e ri ss a m e ，e s p e c i a l l yw i t h i nt h er a n g e3 0 0 0 r e 10 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ea l s oc o n d u c t e dt os t u d yt h eh e a tt r a n s f e ra n d f r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h es m o o t hf l a tt u b e sw i t hd i f f e r e n th y d r a u l i cd i a m e t e r s a n dm i c r o f i nr o u n dt u b e sw i t hd i f f e r e n tf i nh e i g h t sb yu s i n gf l u n e ta p p l i c a t i o n t h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l d si nt u b e sw e r eo b t a i n e da n dt h er e s u l t sw e r e a n a l y z e d t of i n do u ti n f l u e n c i n gf a c t o r so fh e a tt r a n s f e r t h ee n h a n c e dh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s mw a sf o u n dw i t hf i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r a u l i cd i a m e t e ro ft h es m o o t hf i a t t u b eh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so ne n h a n c e dh e a tt r a n s f e r t h es m o o t hf l a tt u b ew i t h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s m a l l e rh y d r a u l i cd i a m e t e rh a sb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a nt h eo n ew i t h l a r g e r ，a c c o m p a n i e dw i t hh i g h e rr e s i s t a n c e t h eo u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r eo ft h e s m o o t hf l a tt u b ei sd i f f e r e n ta tt h es a m ec r o s ss e c t i o n ，a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h e r o u n dw a l ls e c t i o ni sh i g h e rt h a nt h mo ft h ef l a tw a l ls e c t i o n t h ef i nh e i g h tc a n i n f l u e n c ee n h a n c e dh e a tt r a n s f e ro fm i c r o f i nr o u n dt u b e t h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo fm i c r o f i nr o u n dt u b ew i t hh i g h e rf i ni s b e t t e rt h a nt h eo n ew i t h l o w e r , b u ta c c o m p a n i e dw i t hg r e a t e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：s i n g l e p h a s ec o n v e c t i o n ；e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ；m i c r o - - f i nf i a tt u b e ； m i c r o - f i nr o u n dt u b e ；s m o o t hf l a tt u b 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、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 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 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 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) ：曲行棚 日期：”拜月心日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：曲纤厕 日期： 2 研年月侈日 导师( 签字) ：j 砺飞参谫 z 叼7 年月多日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究的意义 随着科技的进步、社会的发展，人们对能源的需求不断增加，能源紧张 的状况愈演愈烈，地球上有限的化石燃料可能在今后的几个世纪内被消耗殆 尽。与此同时，化石能源的过度使用会导致一系列的环境、生态和社会问题， 如大气污染，温室效应，海水升温，冰川溶化等。开发新能源，经济、有效、 合理的利用能源，最大限度的减少污染己成为我们必然的选择。核能作为一 种全新的、蕴藏量丰富的动力能源，单位体积能量巨大，几乎不产生二氧化 碳等与环境问题有关的气体，不仅可以有效的缓解能源紧张的局面，而且对 建立环境友好型社会具有重要的意义，早己被应用于舰船等国防领域，近年 来更被广泛采用于核电等工业领域。 换热器是核电站最重要的设备之一。开发体积小、重量轻、价格便宜、 具有较高效率的换热器，有利于提高核电站的市场竞争能力，同时还可以达 到节约能源、保护环境的目的，因此具有重要意义。换热器的研究主要集中 在两大方向上【1 1 ，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。应用强化 传热技术【2 】寻求传热和流动综合性能较好的强化换热元件，不仅可以使换 热器达到高效化和小型化的目的i 引，还可以降低能源消耗。 强化传热技术作为节能技术的重要方向之一，是指能显著改善传热性能 的节能新技术，对节约能源、提高生产效率有着重要的意义。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。 应用强化传热技术的目的是力图用最经济的设备来传递规定的热量，或 是用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，或是用最高的换热效率来实 哈尔滨工程大学硕士学位论文 现能源合理利用。这就要求进行合理的设计研究，开发新型高效的换热元件， 节能的同时实现设备的小型化的目的，提高企业市场竞争力。 强化传热是多年来国内外传热学界研究的热门课题，世界各国都非常重 视新型高效换热元件的开发研究，进入2 0 世纪9 0 年代以后，强化传热的技 术开始由第二代向第三代发展【引，如三维肋、三维粗糙元、纵向涡发生器和 复合强化技术等，最近又提出了第四代强化传热技术的概念1 5 j ，其部分研究 成果己在动力、核能、制冷、石油、化工乃至国防工业等领域中得到广泛应 用，使大量余热得到回收和利用，取得了较大的经济效益。 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，增强换热性能的同时尽可能减小流动 阻力一直是换热器优化与改进的主要方向。应用强化技术设计、制造各种高 效强化换热元件，不仅是现代工业发展的要求，同时也是开展节z 日- , 匕i - 和开发新 能源的迫切任务，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，尤其是适用于核领域的强化传热技术。 1 2 管内对流强化传热技术 对流换热是指流体与固体壁面直接接触的换热过程。其热量传递过程通 过两种作用来完成：一是对流，流体质点的运动和混合，把热量由一处带到 另一处；二是由于流体与壁面以及流体各处存在温差，热量会以导热方式传 递，而且温差越大的地方，导热作用也越显著。一切支配两种作用的因素和 规律，诸如流动起因、流动状态、流体种类、壁面几何参数等都会影响换热 过程。管内对流换热是一种常见的对流换热形式，国内外许多研究者对此进 行了大量的研究工作，出现了许多比较成熟的强化传热技术。 管内对流换热的强化传热技术很多，应根据流体流动状态的不同分别应 用不同的强化手段。对于强化层流流动的换热，应以改变流体的流动状态使 其流动状态由层流变为湍流。当流体做湍流运动时，流体的传热方式有两种： 在层流底层区的热量传递主要依靠导热；而在底层以外的湍流区，除热传导 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以外，主要依靠流体微团的混合运动。除液态金属以外，一般流体的热导率 都很小，湍流换热的热阻主要集中在层流底层区，应减薄或者破坏边界层， 以达到强化换热的目的。 近年来，管内对流换热的强化传热技术主要采用异型管和管内加扰流件 的方式来改变流体的流动状态、增加近壁区域流体的湍流强度、减小层流底 层的厚度以降低热阻，其强化效果与具体的结构型式有关【6 j 。 1 - 3 强化传热元件研究进展 近年来出现的管内对流强化换热的换热元件主要有：螺旋槽纹管1 7 0 l 、 横纹槽管 1 1 】、波纹管【1 2 ：15 1 、缩放管【1 6 - 7 1 、内翅管【1 8 2 们、管内绕流件、交叉缩 放椭圆强化换热管、微肋管、扁管等，部分换热管结构图如图1 1 所示。 a 螺旋槽管结构示意图b 横纹槽管结构示意图 l 2 l l f 髟反拶二趣步誓屯：j r 强彩1 芒三二三j 。泛i c 波纹管结构示意图d 缩放管结构示意图 图1 1 换热管结构示意图 其中许多换热元件的研究成果已经很成熟，并取得了广泛的应用，而微 肋管和扁管的强化换热性能还有待进一步的研究，下文将主要介绍微肋管和 扁管的国内外研究进展。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 3 1 微肋管研究进展 微肋管【2 1 】是2 0 世纪7 0 年代由日立公司发明的，现在被广泛应用于空调 制冷及换热器行业中管内沸腾和凝结的强化换热。目前此方面的研究是强化 换热领域的一个热点，国内外很多学者和科研机构都在进行研究，也得出了 一些科研成果。 早在1 9 7 9 年，i t o 和k i m u r a 就研究得到h i t a c h i 公司的微肋管的最佳螺 旋角在l o 。左右，此时，压降比光管只增加了1 0 左右。s h i n o h a y a 和t o b e 以及其他一些研究者也提出了不同几何结构的微肋管的最佳螺旋角。 李小伟、孟继安等的研究【2 2 】表明：与普通光滑圆管相比，当2 3 0 0 r e 1 0 4 时，微肋管的换热没有强化，但阻力增加3 0 左右；从r p 数等于1 0 4 开始， 随着r e 数的增加微肋管的换热开始增强；当3 0 0 0 0 r e 6 0 0 0 0 时，微肋管换 热强化1 3 0 ，阻力增加5 0 左右。 吴晓敏等对4 根微肋管管内流动沸腾换热进行了实验研究【2 3 1 ，所用工质 为r 2 2 。实验发现：具有超高翅的微肋管换热性能更强；具有高低翅结构的 微肋管换热性能比等高翅的微肋管换热性能要强。 郑钢、宋吉、吴晓伟对国内外学者在微肋管结构对管内冷凝换热影响方 面取得的研究成果进行了总结瞄】：齿高的增加使换热面积增加，减少了冷凝 过程的传热热阻，因此提高了换热能力；螺旋角对换热的影响与质量流量相 关，研究人员的结论存在较大的差异；齿密度的增加增大了微肋管的内表面 积，同时会加大冷凝液的滞留量，因此正负两种影响决定了存在优化的齿密 度；齿顶角的增加会减少换热面积，从而减小换热效果；管内径对换热影响 的分歧还很大。 韩国大学的d o n gh y o u c kh a n 和k y u j u n gl e e 在单相条件下对四种直 径、肋高、螺旋角、肋间距均不相同的微肋圆管的流动和换热特性做了大量 实验研究2 5 乏6 1 。实验结果表明：当3 0 0 0 r e 4 0 0 0 0 时，相对粗糙度大、螺旋 角小的微肋管的换热性能要好于相对粗糙度小、螺旋角大的微肋管，并且增 大换热面积对提高换热管的综合效能系数起着主要作用。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 日本佐贺大学的a k i om i y a r a 和y u s u k eo t s u b o 对人字形肋微肋圆管的 流动及换热特性做了研究【2 7 】。他们以r 4 1 0 a 冷却剂为工质，分别对光管、螺 旋肋管及三种人字形肋微肋圆管做了大量实验，人字形肋使工质流在肋分叉 处向两侧分开，在肋交会处使工质流汇聚。在大质量流量下，人字形肋微肋 圆管的换热系数要高于螺旋肋微肋圆管。但是在小质量流量时，人字形肋微 肋圆管的换热系数要比螺旋肋维管的稍低。实验还表明：在同样的条件下人 字形肋微肋圆管的压降要比螺旋肋微肋圆管的低，其他类型管的压降均高于 螺旋肋微肋圆管。 首尔国际大学的j i nm i nc h o 等人以c 0 2 为工质，对直径分别为5 m m 、 9 5 2 m m 的光滑管和微肋管的压降及蒸发换热性能做了实验研究【2 引。实验结 果表明：微肋管与光滑管的换热系数具有相似的趋势，即都随着换热量、质 量流量和蒸发温度的增加而增大。此外，同样条件下直径5 m m 的微肋圆管的 换热系数要高于直径为9 5 2 m m 的微肋圆管。当质量流量超过某一值时，由 于液体粘性和微小的表面张力的作用使液体层受到破坏，致使换热的换热系 数出现减小的趋势。但是，在同样的条件下，直径为9 5 2 m m 、5 m m 的微肋 管的换热系数分别比同直径的光滑管高5 0 。1 0 0 矛d7 0 11 0 ，同时压降要增 加2 0 3 5 ，明显低于换热系数的增加幅度。 1 3 2 扁管研究进展 扁管是由普通圆管为基管压制而成，管子的截面形状有的为椭圆形，也 有的两端成椭圆形、中间为平直段的形式。螺旋扁管是将扁管热扭后制成的。 利用扁管制成的扁管管壳式换热器是一种兼有传统管壳式换热器和板壳式换 热器优点的新型高效换热器，因其制造简单、维修和清洗方便而备受欢迎， 很多科研工作者都对其做了研究，并在其基础上开发出不同形式的强化换热 扁管。下面是一些工作者对扁管所做的研究及其所取得的成果： 哈尔滨工程大学的贺士晶对三种不同几何尺寸的普通光滑扁管进行了实 验研究1 2 9 1 ，结果表明：扁管的几何尺寸对换热的影响很大，扁管越扁，即当 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量直径越小其换热效果越好，当量直径分别为6 9 m m 的扁管的管内换热系数 可达到压扁之前的光滑圆管管内换热系数的1 8 2 4 3 倍，但同时也带来了很 大的动力消耗。此外，还对扁管的放置方式对换热性能的影响进行了实验研 究，结果表明，扁管竖直放置方式比水平放置方式的传热效果好。 王泽武等人对单根扁管进行了换热性能实验研到3 0 j ，实验中，管内走热 空气，管外走冷空气，控制其进口体积流量恒定不变，改变管程流量，调节 其进口温度稳定于1 5 0 ，记录管内和管外热、冷空气的进出口温度及压降。 结果表明：扁管的管内换热性能显著优于圆管，压扁程度较小的扁管的强化 换热效果较强；在流量相同时，扁管管内进出口温差、换热系数和雷诺数均 高于圆管，其压降虽高于圆管，但其综合换热经济性能指标仍高于圆管；随 着进口流量的增加，扁管管束内的压降升高较明显，因此使得其综合换热经 济性能指标随流量增加而有所下降，但仍高于圆管管束。因此，对于小流量 介质，使其走扁管管程，有利于提高换热运行经济效益。实验还表明，用管 束代替单管，而其他条件不变，若管束进口流量相同，则扁管管束内的进出 口温差、换热系数、压降及雷诺数与单管实验结果的变换趋势是一致的，但 其换热强化效果不及单管好。与圆管管束相比，扁管管束内的进出口温差将 提高8 5 左右，换热系数提高0 7 5 0 8 5 倍，而压降则升高5 3 6 6 ，综 合换热经济性能指标提高8 2 2 。 梁龙虎对瑞典a l l a r e s 公司推出的螺旋扁管换热器进行实验研列3 l j ，结 果表明：螺旋扁管换热器改变了传统管壳式换热器的管内外的流动形式，依 靠流体自身的螺旋流动同时强化管内和管壳侧的换热。其管内换热系数通常 比普通圆管大幅度提高，其中在低雷诺数时最为明显，可达2 3 倍，随着雷 诺数的增大，其换热强化有所减弱，通常也可提高换热系数5 0 以上。尽管 在强化换热的同时阻力有所增大，但综合的换热性能明显优于普通圆管换热 器。 陈保东、张丽娜等对扁管和微元肋扁管的水力特性进行了实验研究p 引。 实验所用最小扁管的当量直径为0 4 4 m m ，采用了一个全新的实验方法对入 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 口、出口处的局部压力降计算进行了实验校核，确保了入口、出口局部压力 降计算的准确性。实验研究表明，采用常规的计算圆管压力降方法计算扁管 摩擦压力降误差较大，计算微元肋扁管误差更大，并对产生该误差的原因进 行了分析和探讨。 1 4 换热元件数值计算的研究进展 目前，对换热元件的开发可以通过实验或者数值计算的方法来实现，但 由于实验测试费用昂贵、耗时，且实际换热器中流场的可视化和湍流量的测 量也相当困难，因此，人们越来越认识到基于一定实验数据的数值计算是获 得复杂物理问题详细解的一个节省投资、减少浪费、方便可行的途径。计算 流体力掣3 3 】( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 应运而生，它是通过计 算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系 统所做的分析。近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中 的一些近似计算法和图解法，己成为诸多工作者运用和研究的重要工具，被 应用于水利工程、土木工程、工业制造等领域。目前，比较通用的商业软件 有p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 等。 f l u e n t t 3 4 1 是目前处于世界领先地位的商用c f d 软件包之一，其前处理 软件g a m b i t 可以读入多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网 格模式，可用于二维平面、二微轴对称和和三维流动分析，可完成多种参考 系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍 流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体 和流体耦合传热分析、多孔介质分析等。f l u e n t 从用户需求的角度出发， 针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的网格结构、离散格式和数值方法， 以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而 可以高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题，是目前最普遍的一种数值 方法。 随着计算机技术和计算方法的发展，人们已经能够通过某些数值方法对 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 湍流进行模拟，并取得了一些成果： 隋晓峰、孟继安等人应用f l u e n t 软件对螺旋内肋管、即微肋管管内湍流 流动和换热进行了三维数值模拟【3 引，研究了肋片数目及肋片截面形状对管内 换热的影响，得出，在肋片间距不是太小的情况下，肋片数目的增加会明显 增大n u 数和阻力系数；对矩形、三角形、半圆形三种顶端外形轮廓的肋片 的换热性能进行了数值分析比较，得出，在其他结构参数相同的条件下，矩 形肋片的螺旋内肋管的强化换热性能略优于圆形和三角形肋片的换热管。 彭洁、于思林等人根据螺旋槽管换热器结构特点及传热特性，建立了以 水为工质的换热器流动与传热的三维几何模型，对螺旋槽管换热过程展开了 三维数值模拟1 3 6 1 ，分别得到了螺旋槽管内壁与外壁的对流换热系数。结果表 明：螺距一定时，槽深越大，换热性能越好；槽深一定时，螺距越大，对流 换热系数反而越小，换热效果降低；螺旋槽管的传热效果并非随流量增大而 一直增大，当船数较小时，随m 数增大，强化传热效果增强；而当r p 数 增大到一定数值后，强化传热效果反而下降；螺旋槽管换热器与光管换热器 相比，得出螺旋槽管的换热系数是光管的2 5 倍左右，强化了传热，为此产 品的进一步理论研究和推广应用提供了依据。 武汉工程大学夏文武【3 7 】等人通过数值计算考察了几种扁管和普通圆管 的管内流动与传热性能，得出在换热管入口质量流量相同且壁面温度恒定时， 扁管的表面传热系数和进出口温差均高于圆管，证明了扁管是一种强化传热 元件，但扁管的压降比普通圆管的高，实际应用中应综合考虑流量大小和扁 管的承压能力。 南京工业大学张杏祥【3 8 4 0 1 等人运用数值模拟的方法对螺旋扭扁管的传热 与阻力性能进行了分析，研究了管内流体的r e 数，尸r 数以及管子的几何尺 寸对其流动与传热性能的影响，得出：与普通椭圆直扁管相比较，螺旋扭扁 管是一种较好的强化传热元件，尤其对具有高竹数的大粘度流体在低m 数 的层流区或过渡区时具有较好的强化传热效果，并根据数值模拟的结果，利 用多元线性回归的方法拟合出了n u 数和阻力系数的准则公式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 本文通过实验对斜微肋扁传热管的管内换热性能进行了研究，并对光滑 扁管和微肋圆管的换热及阻力性能进行数值模拟计算。主要研究内容如下： 1 、对比不同几何尺寸的斜微肋扁传热管的实验结果，研究压扁程度和肋 高对斜微肋扁传热管管内换热性能的影响； 2 、将斜微肋扁传热管的实验结果与光滑圆管、光滑扁管及微肋圆管的实 验结果进行比较，研究斜微肋扁传热管的强化换热效果； 3 、模拟光滑扁管的管内流场，计算管内换热系数及n u 数并与实验结果 进行对比验证；在初始条件一致的前提下，比较不同当量直径的光滑扁管的 传热及阻力系数，研究当量直径对光滑扁管的换热及阻力性能的影响； 4 、模拟微肋圆管的管内流场，计算管内换热系数及n u 数并与实验结果 进行对比验证；在初始条件一致的前提下，比较不同肋高的微肋圆管的传热 及阻力系数，研究肋高对微肋圆管的换热及阻力性能的影响； 5 、对光滑圆管、光滑扁管和微肋圆管的管内流场进行比较，在此基础上， 应用场协同原理分析光滑扁管、微肋圆管和斜微肋扁传热管的强化换热机理。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 实验装置 第2 章实验装置及实验方法 本实验以液态水为工作介质，在热水流量为1 6 m 3 i l 、热水入口温度为 6 0 c 的条件下进行的，通过调节冷水流量来改变实验工况。实验装置流程图 如图2 1 所示，由循环水系统、电加热系统和测量系统组成，包括实验段以 及各种管路和阀门。 i i ：= ：= ：= = ：= ；- = = 磬：二嚣= = ：p 图2 1 实验装置流程图 1 ：水池；2 ：冷水泵；3 ：稳压罐；4 ：测压点； 5 - 7 ：涡轮流量计； 8 ：阀门；9 ：测温点； 1 0 ：入口稳定段；1 1 ：实验段；1 2 ：出口稳定段： 1 3 ：热水泵；1 4 ：电加热水箱；1 5 - 电加热器：1 6 ：水位计： 2 1 1 循环水系统 循环水系统是由冷水循环系统和热水循环系统组成，工质均为液态水。 冷水循环系统：启动冷水循环泵2 将冷水从水池1 经稳压罐3 、涡轮流 l o 哈尔滨工程大学硕十学何论文 量计5 或6 、入口稳定段1 0 输送到实验段1 1 的换热管内部与管外热水发生 热量传递，再经出口稳定段1 2 经排水管排入水池1 中。可分小流量回路和大 流量回路，如果冷水流量在o 1 1 2 m 3 h 之间变化，则启用小流量管路。为提 高测量的精确性，当冷水流量在0 1 0 4 m 3 h 之间变化时，采用称重法测量冷 水流量，当冷水流量在0 4 1 2 m 3 h 之间变化时，由小流量涡轮流量计测量冷 水流量。如果冷水流量在1 6 l o m 3 h 之间变化，则启用大流量管路，由大流 量涡轮流量计测量冷水流量。冷水泵为离心式水泵，功率为5 k w ，扬程为5 m ， 体积流量为2 5 m 3 h 。 热水循环系统：启动冷水循环泵2 ，向高位电加热水箱1 4 内注入一定量 冷水，工质水在电加热水箱内加热到6 0 。c 左右后，启动热水循环泵1 3 ，热水 便经稳压罐3 和涡轮流量计7 流入实验段1 1 的套管内，在实验段内经过换热 后最终流回高温加热水箱。热水循环系统的各种管道均用绝热材料包裹，以 减少热量损失，保证热水、冷水回路之间的热平衡，提高实验精度。热水泵 是离心式水泵，功率是3 5 k w ，扬程是5 m ，体积流量是1 2 5 m 3 h 。 2 1 2 电加热系统 电加热系统主要指高位电加热水箱及控制开关。电加热水箱内设有1 0 组电加热器，每组电加热器由3 根电加热元件组成，其中每一组电加热器都 有一个控制开关，可以通过开关打开的个数控制电加热水箱的加热功率，使 输出的热水温度保持在实验所需要的固定值。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。 2 1 3 测量系统 测量系统包括：温度测量系统、流量测量系统和压力测量系统。 1 、温度测量 实验中所有温度数据通过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 哈尔滨工程大学硕十学位论文 实时监测和数据的存储。本论文实验为稳态实验，数据采集速率定为1 次 秒，采集时间为3 0 秒。 实验中温度测量所使用的热电偶有两种：铜康铜铠装热电偶和镍铬镍 硅热电偶。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，镍铬镍硅热电偶用来测量实验管件的外壁温度。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镍硅热电偶在恒温水 浴中进行了标定。 在准备阶段，先按要求组装好实验件，然后将热电偶从法兰的连接处引 出，法兰之间放垫片，以达到密封的效果。完成实验件及其测温热电偶的装 配工作后，即可进行整个实验系统的安装和连接，之后检查各密封面是否有 滴漏，检查温度测量系统连接是否牢固、正确，并及时进行调整。 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- 4 - 0 5 ，测量范围在0 m 3 h 1 0 m 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，其基本误差限均为士0 5 。 当冷水流量小于0 4 m 3 h 时，采用称重法测量冷水流量，需要用到电子秤、 秒表以及大容器；当冷水流量在0 4 m 3 肛1 2 m 3 h 范围之内时，使用测量范围 为0 m 3 h 1 2 m 3 h 的l w g y - 1 0 b 型涡轮流量计测量冷水流量；当冷水流量大 于1 2 m 3 h 时，使用测量范围为0 m 3 h 1 0 m 3 h 的l w g y - 2 5 a 型涡轮流量计 的测量冷水流量。实验过程中冷水流量的调节按照由小到大的顺序进行。 3 、压力测量系统 本实验用压力表测量冷水入口压力和热水入口压力，从而能根据工质水的 压力和温度确定其物性参数。 2 2 实验段及实验元件 2 1 1 实验段 实验段为一套管式换热器，由套管、换热元件、法兰、螺栓等组成，实 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 验段结构如图2 2 所示。整个实验段外围用保温材料包好，以保证换热过程 只存在于热水与换热元件之间、换热元件本身以及换热元件与冷水之间，防 止热量向周围环境散失。套管换热器内冷热流体的流动采用逆流方式，套管 的内径为2 7 m m ，实验管总长度为1 2 0 0 m m ，换热段长度为1 0 0 0 m m 。 2 1 图2 2 实验段结构简图 1 ：冷水进口；2 ：密封胶圈；3 ：热水出口；4 - 密封垫； 5 ：法兰； 6 ：套管；7 ：换热元件；8 ：固定螺栓；9 ：冷水出口；1 0 - 热水进口 2 1 2 实验元件 本论文实验研究的强化换热元件为斜微肋扁传热管，包含平直段壁面和 圆弧段壁面两部分，其横截面示意图如图2 3 所示。斜微肋扁传热管的有效 换热长度为1 0 0 0 m m ，材质为导热系数为3 8 7 6 w m - i - k 。1 的紫铜，并选取光滑 圆管、光滑扁管和微肋圆管为对比换热元件。 斜微肋扁传热管是以微肋圆管为基管加工而成的，微肋圆管由 巾1 6 x l m m 规格的光滑圆管挤压拉制生成，螺旋头数为7 5 ，螺旋角为4 0 。 各换热管的具体参数如表2 1 所示。 l 一苎 1 图2 3 斜微肋扁传热管横截面示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 各种换热管几何参数m m 管件名称 肋高圆弧段外径直边段长度湿周过流面积当量直径 光滑圆管4 3 9 81 5 3 9 41 4 微肋圆管 0 44 5 2 51 6 2 8 61 4 8 光滑扁管8 31 2 7 34 6 5 01 1 1 3 79 8 4 1 群斜微肋扁传热管 0 4 8 7 11 2 0 34 7 71 3 4 6 41 1 3 1 2 撑斜微肋扁传热管0 48 1 61 2 7 14 7 2 91 2 6 5 11 0 7 0 3 牟斜微肋扁传热管 0 4 5 8 41 6 1 04 6 7 89 1 6 17 8 3 4 拌斜微肋扁传热管 o 38 - 31 2 4 84 6 6 41 2 3 5 01 0 5 9 5 撑斜微肋扁传热管0 35 8 21 6 1 24 6 7 58 6 5 97 5 l 6 撑斜微肋扁传热管 0 2 8 2 71 2 4 44 5 8 31 1 7 。9 21 0 。2 9 7 拌斜微肋扁传热管 0 26 o1 5 9 94 5 8 08 5 5 67 4 7 2 1 3 实验元件加工过程中遇到的问题及解决办法 由于对管子结构及管材力学性能不够了解，斜微肋扁传热管的加工过程 中出现了许多问题。 初次加工时，微肋圆管不经任何处理直接放在模具内，用液压机压制， 结果得到的斜微肋扁传热管的平直段出现了下凹现象，不是我们所要研究的 管型。查阅资料之后决定在进行压制之前，将微肋圆管进行退火处理，以降 低材料的硬度。退火处理过程为：将微肋圆管放入约5 0 0 电加热炉内加热1 小时，之后将其自然冷却至室温。退火处理使得微肋圆管的硬度得以降低， 这样再经液压机压制便不会出现下凹的现象，可以得到理想的斜微肋扁传热 管。 在退火处理的过程中，微肋圆管内外侧壁面均出现了黑色氧化膜，氧化 膜的存在将增大传热热阻，影响换热。解决这一问题的有效方法：一是用稀 硫酸将氧化膜还原，二是在退火过程中防止氧化膜的生成。由于第一种方法 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 在使用的过程中易造成管壁的腐蚀，所以最终采用第二种方法，即将微肋圆 管内塞一些小木炭块，之后再将其放进高温加热炉内加热，这样可以去除管 内的氧气，有效地阻止管内壁氧化膜的生成。而微肋圆管外壁面的氧化膜可 以用细砂打磨掉。 2 3 实验目的及实验方法 2 3 1 实验目的 本实验的目的是研究斜微肋扁传热管相对于光滑扁管和微肋圆管的强化 换热效果，并探索斜微肋扁传热管强化换热的影响因素，从而设计出性能最 佳的斜微肋扁传热管，为换热器的研究提供依据。 2 3 2 实验方法 本实验是在热水流量为1 6 m 3 h 、热水温度为6 0 的条件下进行的，每 一次的采集时间均为3 0 s ，时间间隔为l s 。具体的实验步骤如下： ( 1 ) 准备工作：按要求安装好热电偶后将换热元件装入实验段内：按照 图2 1 所示将实验段装在实验回路中；将冷水泵前面的旁通阀打开；将热电 偶冷端处于保温器中并保证保温器内为冰水混合物，即保持冷端为0 ；启 动冷水泵，并开启注水阀门，将高温加热水箱内注入一定量的水，然后关闭 该阀门。 ( 2 ) 准备就绪后，启动冷水泵，调节冷水进口压力为一固定值后，打开 小流量循环回路上除流量调节阀以外的所有阀门，之后通过调节阀将冷水回 路流量调节至所需记录的冷水流量的最小值。 ( 3 ) 将全部电加热器打开，在高温加热水箱内水温将要达到6 0 时关 闭所有电加热器，同时开启热水泵，调节热水回路流量至1 6 0 m 3 h ，观察热 水箱内水温是否达到6 0 ，如未达到则继续加热，直至达到6 0 为止，待高 温电加热水箱内热水温度恒定后，通过数据采集系统采集一组实验数据：热 水进口温度、热水出口温度、冷水进口温度、冷水出口温度、管壁若干热电 哈尔滨工程大学硕十学位论文 偶的温度、热水流量，并手动记录冷水进口压力、热水进口压力、冷水流量 以及该流量所用的时间。以递增的形式逐步调节冷水流量，每次调节待各项 参数稳定后再采集一组实验数据，直至冷水流量达到0 4 m 3 h 。 ( 4 ) 继续调节冷水流量，每次调节待各项参数稳定后再采集一组实验数 据：热水进口温度、热水出口温度、冷水进口温度、冷水出口温度、管壁若 干热电偶的温度、热水流量、冷水流量，并手动记录冷水进口压力、热水进 口压力，直至管内雷诺数达到1 0 5 。当冷水流量在0 4 m 3 1 1 1 2 m 3 h 之间时， 采用小回路流量测量系统测量冷水流量；当冷水流量在1 6 m 3 h l o m 3 h 之间 时，采用大回路流量测量系统测量冷水流量。每次数据的采集都是在高温加 热水箱恒定在6 0 时进行的。 ( 5 ) 实验结束后，先关闭热水回路的阀门、水泵，最后关闭冷水回路的 阀门、水泵和仪表、切断电源。 2 4 本章小结 本章介绍了实验装置，给出了实验装置流程简图，并对各系统做了详细 介绍，同时也给出了实验段及实验元件的结构简图并针对实验元件加工过程 中遇到的问题给出了解决方案。本章最后介绍了实验目的以及实验的详细过 程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章热电偶的标定及数据处理方法 3 1 热电偶的布置方式及其标定 3 1 1 热电偶的布置方式 本实验用到两种热电偶：五支铜康铜铠装热电偶和16 对镍铬镍硅热电 偶。铜康铜铠装热电偶布置在电加热水箱内、热水进出口处和冷水进出口处， 用来监测热水箱内水温及冷热水进出口温度；镍铬镍硅热电偶布置在斜微肋 扁传热管的外壁面处，用来测量斜微肋扁传热管外壁的平均温度。 由于平板和圆筒壁的换热情况不同，换句话说，斜微肋扁传热管的平直 段壁面和圆弧段壁面的换热效果是不同的，因此斜微肋扁传热管同一横截面 不同位置处外壁面的温度应该是不同的。为使测量平均温度更接近于外壁面 平均温度，1 6 对镍铬镍硅热电偶采用4 x 4 的布置方式，即选取斜微肋扁传 热管的4 个不同横截面，每个横截面布置4 个热电偶，如图3 1 所示。 4 、 3 图3 1 斜微肋扁传热管热电偶布置方式图 3 1 2 热电偶的标定 将两根不同的导体