（热能工程专业论文）s型内翅片管强化传热的换热特性和阻力特性研究.pdf

l i j 东大学硕士学位论文 摘要 近年来山于生产 ：l f 学技术发展的需要，强化换热技术已得到了较人的发展，并 且广泛的应用于石油、化工动力和制冷等工程领域的换热设备中。研究行种f 热过 程的强化问题用以设计新颖的紧凑式换热器，不仅足现代工业发展中必须鲥决的问 题，同时也是丌发新能源和丌展节能工作的紧迫任务。 本文以实验为基础，研究了两组s 型内翅片管的湍流流动特惟与换热豹住， 同样内径和壁厚光管的做对比。在实验数据的基础上我们拟含出所测参数地田内阻力 和换热的实验关联式。并运用w e b b 性能指丰小比较了翅片管之| n j 的换热效果。 实验数据处理过程中，我们运用了数值分析软件f l u e n t 边行处理，从翅h 管内流 场分布来分析内翅片管的换热效果。 应用w e b b 热力性能指标，在换热面积和泵功率相同的条件下，本文对s 型内翅 片管和光管的换热效果进行比较得出的结论是： 1 在相同泵功和换热面积条件下，在实验的雷诺数范围内，单s 型内翅片 管换热量均低于光管的换热量；当r e 5 0 0 0 0 时，交叉s 型内翅片管的换热量 低于光管的换热量。 2 在实验范围内，单s 型内翅片管的q q 曲线随着r e 数的增加而上升， 这表明单s 型内翅片管在大r e 数时表现出较强的换热性能：交叉s 型内 翅片管的q q 曲线随r e 数的增加而下降，表明交叉s 型内翅片管的换 热能力的增强低于阻力损失的增加，总体换热性能下降。 3 在实验范围内，交叉s 管的换热能力要好于单s 管。但单s 管换热能力 增强趋势大于交叉s 管，致使在r e = 1 2 5 0 0 0 左右时两者的换热能力相等。 对于s 型内翅片管的阻力，单s 型内翅片管的阻力系数厂随r e 数的增大而降低， 当r e 1 3 0 0 0 0 时，阻力系数基本保持不变；而交叉s 管的阻力系数厂随r e 数的增大 而增大当r e 1 1 5 0 0 0 时，交叉s 管的阻力系数将大于单s 管的阻力系数。 本文得到的换热特性和流动阻力特性的准则关系式可以应用于同样条件下s 型内 山东大学硕士学位论文 翅片管换热器的设计与应用。 关键词：s 型内翅片管 湍流换热 换热特性阻力特性 山东大学硕士学位论文 e x p e r 1 m e n t a ls t u d yo nt h eh e a tt r a n s f e ra n d p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c so ft u r b u l e n t f l o wi ni n t e r n a l l ys l l k ef i n n e dt u b e s a b s t r a c t w i t ht h er e q u i r e m e n to fm a n u f a c t u r ea n ds c i e n c et e c h n o l o g yi nr e c e n t ) e a r s t h e t e c h n i q u eo fe n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y , a n dh a sb e e nv d d e l yu s e d i nm a n ya r e a ss u c ha so i l ，c h e m i s t r y , d y n a m i ca n dr e f r i g e r a t i o n ，a n ds oo n i ti sn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t ea l lk i n d so fq u e s t i o n sa b o u th e a ta n dm a s st r a n s f e r , w h i c ha r eu s e dt od e s i g n o r i g i n a la n dc o m p a c t e dh e a te x c h a n g e r t h ec h a r a c t e r i s t i co ft u r b u l e n tf l o wa n dh e a tt r a n s f e rj nt u b e sw i t hl w ok i n d so fi n s i d c s 1 i k ef i n sw e r ei n v e s t i g a t e do nt h eb a s eo fe x p e r i m e n t a n dc o m p a r e dw i t ht h a to fs m o o t h t u b ew i t ht h es a m ed i a m e t e r o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t at h ec o r r e s p o n d i n g c o r r e l a t i o n sf o rt h ef r i c t i o nf a c t o r sa n dn u s s e l tn u m b e r sv s t h er e y n o l d sn u m b e r sf o rt h e f i n - t u b e sw e r eo b t a i n e d n 城r e s u l t so ft h ea b o v ef i n t u b e sw e r ec o m p a r e dw i t ht h a to ft h e s m o o t ht u b e sb a s e do nt h ew e b bi n d e x i nt h ep r o g r e s so ft u b ew a l lt e m p e r a t u r ed a t ac o m p u t a t i o n ，t h en u m e r i c a lv a l u e a n a l y s i ss o f t w a r e - - f l u e n tw a sa d o p t e d a n a l y z et h eh e a te x c h a n g ee f f e c to ft h ef i n t u b e s f r o mt h ei n s i d ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n u s i n gt h ew e b bh e a tp e r f o r r n a n c eg u i d el i n e ，o nt h es u p p o s i t i o nt h a tt h ep u m pp o w e r a n dt h eh e a tt r a n s f e ra r e aw e r et h es a m e ，t h er e s u l t so ft h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n s i d e s 1 i k ef i n n e dt u b e sa n dt h es m o o t ht u b ew e r e ： 1 o nt h es u p p o s i t i o nt h a tt h ep u m pp o w e ra n dt h eh e a tt r a n s f e ra r e aw e r et h e s a m e u n d e rt h ee x p e r i m e n t a ls c o p eo fr e ，t h eh e a te x c h a n g ea b i l i t yo ft u b e w i t hs i n g l ei n s i d es l i k ef i nw a ss m a l l e rt h a nt h a to f t h es m o o t ht u b e ；w h e nt h e v a l u eo fr ei ss m a l l e rt h a n5 0 0 0 0t h eh e a te x c h a n g ea b i l i t yo ft u b ew i t h c r o s si n s i d es 1 i k ef i nw a ss t r o n g e rt h a nt h a to ft h es m o o t ht u b e ；a n dw h e nt h e v a l u eo fr ei sb i g g e rt h a n5 0 0 0 0t h eh e a te x c h a n g ea b i l i t yo f t u b ew i t hc r o s s i n s i d es 1 i k ef i nw a sl e s st h a nt h a to f t h es m o o t ht u b e 2 u n d e rt h ee x p e r i m e n t a ls c o p e ，t h e 纠幺c u r v eo ft u b ew i t hs i n g l ei n s i d e s i i k ef i ni n c r e a s e dw i t ht h ev a l u eo fr ei n c r e a s i n g ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt u b e w i t hs i n g l ei n s i d es l i k ef i nh a dt h es t r o n g e rh e a te x c h a n g ea b i l i t yu n d e r b i g g e rv a l u eo fr e ；t h eq | q 8c u r v eo ft u b ew i t hc r o s si n s i d e s - l i k ef i n d e c l i n e dw i t ht h ev a l u eo fr ei n c r e a s i n g w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ei n c r e a s eo f h e a te x c h a n g ea b i l i t yw a sl e s st h a nt h ei n c r e a s eo fr e s i s t a n c e s 0t h a tt h ew h o l e h e a te x c h a n g ec a p a b i l i t yd e c l i n e d 3 u n d e rt h ee x p e r i m e n t a ls c o p e ，t h eh e a te x c h a n g ea b i l i t yo ft u b ew i t hc r o s s i n s i d e s - l i k ef i nw a ss t r o n g e rt h a nt h a to ft u b ew i t hs i n g l ei n s i d e s - l i k ef i n v 山东大学硕士学位论文 b u tt h eh e a te x c h a n g ei n c r e a s i n gt r e n do ft u b ew i t hs i n g l es - l i k ef i nw a s b i g g e rt h a nt h a to ft u b ew i t hc r o s ss - l i k ef i n ，s ot h a tt h e i rh e a te x c h a n g e a b i l i t i e sw e r ee q u a lw h e nt h ev a l u eo f r ew a s1 2 5 0 0 0 t h er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t f o ft u b ew i t hs i n g l es - l i k ef i nr e d u c e dw i t ht h ev a l u eo f r e i n c r e a s i n g w h i l et h ev a l u eo f r ew a sb i g g e rt h a n1 3 0 0 0 0t h er e s i s t a n c et o e 衢c i e n tb o l dt h e l i n eb a s i c a l l y ；b u tt h er e s i s t a n c et o e f f i c i e mo ft u b ew i t hc r o s ss 1 i k ef i ni n c r e a s e dw i t ht h e v a l u eo fr ei n c r e a s i n g w h e nt h ev a l u eo fr ei ss m a l l e rt h a n l15 0 0 0 t h er e s i s t a n c e c o e f f i c i e n to ft u b ew i t hc r o s ss 1 i k ef i nw a ss m a l l e rt h a nt h a to f t u b ew i t hs i n g l es 1 i k ef i n ， b u tw h e nt h ev a l u eo fr ew a sb i g g e rt h a n1 15 0 0 0 t h er e s i s t a n c ec o e m c i e n to ft u b ew i t h c r o s ss l i k ef i nw o u l db eb i g g e rt h a l lt h a to ft u b ew i t hs i n g l es - l i k ef i n t h er e s u l t sc a nb eu s e di nt h ed e s i g n a t i o na n da p p l i c a t i o no fs l i k ei n s i d ef i n n e dt u b e s h e a te x c h a n g e ru n d e rt h es a m ec o n d i t i o n k e yw o r d s ： s - l i k ei n s i d ef i n n e dt u b e s h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s v i t h r b u l e n tf l o w p r e s s u r ed r o pc h a r a c t e r i s t i c s 山东大学硕士学位论文 符号表 翅片管直径， 翅片管内径，n l 翅片管半径，m 翅片管当量直径， 翅片高度，n l 翅片展丌长度，聊 传熟系数，w m 2 k 翅片厚度，m 翅区长度， t 对流换热系数，w m 2 k 翅片的周边长度，m 翅片的横截面积，m 2 翅片换热面无翅部分面积，m 2 密度，堙小3 导热系数，w m k 运动粘度系数，m 2 厶 摩擦阻力系数 压力降，尸口 冷却水流动速度，州s 翅片管内空气平均流速，州j v i l k 差温 数 。 特 数，k k尔数特角，谢诺朗心度度努雷普圆温温 d d ， 见 0 m趾n口r，k 艿工口 p 一 4 户 五 u t 、 心w 山东大学硕士学位论文 v i i i f 玎j r e 。 q m 下标： b w r e 换热面积，肌2 换热面效率 临界雷诺数 换热量，巧 流体质量，磁 流体，翅片 光管 壁面值 折算值 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独市进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文f i 包含f 舯u 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作“j 重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 勿易乙j 日期：丝! 笙扭幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丕啦导师签名：数日期：坦受釜塑幽 山东大学硕士学位论文 s 型内翅片管强化传热的换热特性和阻力特性研究 1 前言 1 1 课题概述 换热器作为传热设备广泛应用于各种工业中，提高换热器的传热性能研究符种传 热过程的强化问题是现代工业发展过程中丌发新能源和丌展节能工作的重要课题。由 于生产和科学技术发展的需要，强化传热技术在近几十年来获得了广泛的重视和发 展。研究各种传热过程的强化问题用以设计新颖的紧凑式换热器，不仅是现代工业发 展中必须解决的问题，同时也是丌发新能源和丌展节能工作的紧迫任务，因而研究和 开发换热技术对于发展国民经济的意义是十分重要的。 对流换热按其发生的原因可分为自然对流换热和强制对流换热在这阿种对流换 热过程中，就流体的运动状态又可区分为层流换热及湍流换热，这取决于流体的雷诺 数、流道几何形状和固体的壁面状况从流道几何形状束看就更为复杂，既有圆形、 环形、三角形、弧形的，又有纵向或横向掠过管簇以及由各种形状管翅或扳翅结构组 成的复杂几何通道如果流体在传热过程中发生相变，则又有池内沸腾、流动沸腾及 蒸汽凝结之分 在设计气气热交换器的对流换热面时，为强化换热使换热面钿置的更紧凑，常 使用翅片管来强化换热，根掘换热器中传热过程的分析可以知道，为使换热器具有最 佳的换热效果，应使折算到管壁的外膜换热系数和内膜换热系数近似相等，管外采用 翅片一般可以将折算的换热系数提高几倍，当管内工质为气体时，也需强化管内换热， 尽可能的使管内的折算换热系数与管外的接近，使换热面的设计得到优化。应用内翅 片是强化管内换热的方法之一。7 0 年代至8 0 年代前期是研究强化换热的鼎盛时期嘲。 按照b e r g l e s 的分类方法。对流换热的强化方法可以概括为无源强化和有源强化两种。 s 型内翅片管属于无源强化换热方式。在强化无相变换热中，在管外侧加翅片是强化 管外换热的最普遍的方式，这种方式主要是增大换热面积，而内翅片中的传热，则是 既可在一定程度上增加换热面积( 比外翅片管增加幅度要低的多) ，而且比较大的改 山东大学硕士学位论文 变了流体在管内的流动型式和阻力分布，提高了换热系数p 1 相对而言，利用内翅片 管强化换热的研究工作丌展得较少h i t 5 1 。 采用内肋管可起到两个作用，一是提高管内工质到管壁的换热系数；另一是降低 管壁温度。内肋管一般可分为直内肋管和螺旋内肋管两类。直的内肋管不扰动管内的 流动，螺旋内肋管中的流动工况和螺纹槽管的相似。管内存在肋片后，由于湿周增大， 所以通道截面的当量直径减小。由于当量直径的减小和内壁换热面积的增大，使直内 肋管的换热系数高于光管的。因而在相同换热量时，与光管相比可保持较低的管壁温 度。螺旋内肋管也同样具有这样的作用。 前面提到的那些强化传热技术，有的只适用于特定的某些传热介质和传热过程。 有的则对所有对流换热状态都有不同程度的强化作用。例如。各种处理表面对于沸腾 或凝结传热都有很好的强化作用，但对于单相介质，却由于扰动作用过小而对流动及 传热不起作用；各类粗糙表面，由于边界层的破坏可以大幅度地提高湍流状态下的换 热强度，而在层流状态下却因热阻并不集中于近壁层中，因此只有螺旋型粗稳元才能 使流体产生旋流而对传热过程起一定的强化作用；螺旋管、涡流发生器和机械搅动等， 对于层流换热都有显著的增强作用，但对湍流换热系数的提高却收效不大。各种不同 形状的扰流子和扩展表面，对于无相变和有相变的换热过程都有一定的强化作用，其 中扩展表面尤其适合于气体换热装置。 从强化传热各类措施来看，研究得最多的是各种扩展表面、粗糙表面和涡旋强化， 它们被广泛地应用于各类热设备中去。国内不少发电厂的锅炉都使用了扩展表面( 如 内、外肋片管) 以期达到在有限的空间内增加传热量或者降低平均烟速、减轻磨损的 目的。近几年来，又出现了利用肋翅片管控制管内蒸汽流速、平衡介质流量分配和降 低管子壁温的高温过热器、再热器等。这些新型受热面的结构设计均迫切需要提出能 够准确计算管内对流放热系数和流动压降的准则方程式。本课题所研究的s 型强化传 热内翅片管即是上述新型受热面中的一种，对其传热特性和流动阻力特性进行实验研 究和理论分析，提出准则方程式并应用于工程设计，是本研究的主要内容。 1 2 国内外发展现状 七十年代以来，一些研究者对直内翅片管中的传热进行了实验和理论研究，其中 实验以w a t k i s o n c a r n a v o s 的较全面。而理论计算则以p a t a n k e r 等人的工作较为引人 山东大学硕士学位论文 注目，这些研究工作所使用的内翅片管一般为拉制的，管子的内径一般少于3 0 m m ， 换热强度是光管的1 4 i 6 倍 在这期间关于内翅片管的流体流动和换热的研究报告很多，其中大部分鄢足针对 层流换热的，这是由于层流运动时，内翅片管不像湍流换热那样容易引起换热系数降 低，所以从原则上来讲。管内翅片的高度愈大对换热的增强愈大，并且层流时流体的 换热准则n u 数与雷诺数r e 无关。 传热流体的物性在选择强化传热方法时占有举足轻重的地位。高粘度流体a ：流道 中常常呈现层流运动。在有传热的情况下流体的速度分和和温度分和都膳1 抛物线型 分布。流体和传热壁面问的温降发生在整个流动截面上。因此，对层流换热所采取的 强化措施必须使流体产生强烈的径向运动以加强流体整体的混和。例如，在直流道内 设置各种涡流发生器以产生与主流方向垂直的二次流动，也可以采用各种翅化表面以 便增加换热面积和减小传热表面所包围的流体体积当然，机械搅动、添加物及增设 强电场等有源强化技术，也是行之有效的。 粘性不高的传热流体很容易形成湍流运动。在湍流运动中由于流体核心流的速度 场和温度场都比较均匀，因此流动阻力和对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底 层中。流体的p r 数愈高，层流底层的温度梯度也愈大。由此可见，对湍流换热所采取 的主要强化措施必须破坏其边界层，即增加边界层的扰动以减薄层流底层的厚度。最 合适的措施就是采用壁面扰流元件( 如粗糙元或扰流柱等) 。过高的粗糙元或其它能 增加核心流湍流度的扰流元件，虽然也能起到增强湍流核心部分传热的作用，但其受 益与阻力损失增加相比得不偿失。 在湍流换热状态下来用壁面扰流元件增强换热的幅度，常常是随着流体p r 数的增 加而增大这是因为流体边界层中的相对热阻总是随着p r 数的增大而增加，所以破坏 边界层对高p r 数流体增强对流换热的效果特别明显。可见，采用粗糙元等壁面扰流 元件，对于像石油产品这类有机传热介质的对流换热，其强化作用最大：对于气体， 由于它们p r 数只有0 7 左右，因此其强化效果就较差至于对用作传热介质的液态金 属，如果也采用壁面扰元件，那末获得的结果只能是流动阻力的增加，而对传热强度 则无明显影响 气体的粘度低，在强制运动时一般呈现湍流状态。气体的密度和导热系数也很低， 山东大学硕士学位论文 即使对于湍流换热其换热系数也不高。采用诸如粗糙元、扰流杠等强化传热措施所能 获得的换热强化比n u n u o 最大不过是3 左右，换热系数的绝对值还是比较低的，因 此总是不能满足增加换热量的要求。对于气体用作传热介质的热设备，增加换热量的 最有效方法是采用发展传热表面，即装置各种翅片以增加传热面积。这样，甚至能使 换热量增加几十倍。但是，对于管壳式换热器，因受管子内部空间的限制，不可能采 用高而密的翅片，所以管子内部增加换热系数不可能像管外翅片那样有效。管壳式换 热器比较适合于管内为液体、管外为气体的气一液换热器。对于气一气换热则宜采用 板翅式换热器或者热管换热器，前者是用带翅片的平板一层层叠放钎焊而成，后者则 是利用热管的良好导热性能在热端和冷端都可采用有效的翅化表面。 采用翅化表面固然可以在气侧大大增加换热面积，但是随着翅片高度和密度的增 加，流体在流道中的雷诺数却因传热面上湿周的增大而不断减小，从而导致翅片问换 热系数的下降，所以应i 幺通过实验和分析方法得出最佳的翅片参数。当然，同时还要 考虑由于翅片本身导热热阻而引起的翅效率n 值的影响。为了解决换热系数随着翅片 高度和密度的增加而降低的矛盾，科技工作者在翅片构造上作出了不懈的努力例如， 在翅片上打孔，或把翅片做成鼓泡型、波形、以及分段、交叉的锯齿翅片等，使得气 体换热设备在增加传热面积的同时还能增强气流与翅片问的换热。 宇波 9 1 对波纹内翅片管进行了实验研究。其中实验段包括三组波纹内翅片管：a 组，不加芯管；b 组，加芯管但不堵塞芯管；c 组，加芯管且堵塞芯管。采用了三种 原则对传热性能进行比较：相同质量流量、相同泵功率、相同压降。结论是：无论哪 种比较准则，加芯管和堵塞芯管都可以增强换热，并且加堵塞芯管的强化换热能力最 强，这是因为加入芯管或堵塞芯管以后，使得流体有更多的机会与翅片和管壁接触且 流速相对增加，从而增强了换热。 贺群武等【1 0 】研究了与文献【9 中具有不同翅片形式的波纹内翅片管的对流换热与 阻力特性。实验结论：实验管在低r c 数时均有很好的强化效果，但随着r e 数的增加， 换热强化倍数迅速降低。其原因是：实验管管径较小( d o = 2 5 m m ) ，翅片弯曲，当量直 径较小( 1 7 8 r a m ) ，导致其阻力系数大大增强：内外管之间的流动空间被分为四个小的 流道，翅片与外管内壁由于没有采用焊接方式，因此存在着较大的接触热阻，每两个 翅片之间在非管壁处有个接触点，这样使得在低r e 数时换热强化效果很好，但流 4 山东大学硕士学位论文 速增加，r e 数增大时，换热强化倍数迅速减小，在和光管比较的条件苛刻时，换热 效果与光管相当，甚至低于光管换热能力。但无论采用哪种比较准则。波纹内翅片管 的综合性能一般部强于光管；不同的管径及其翅片形式对换热强化影响很大，因此根 据管径大小，合理选择翅片结构是十分有必要的。 庄礼贤1 1 2 】对带内螺旋翅片的t 形翅片管的传热特性进行了研究。实验管采用了两 种型式：t 管和( t + i i s f ) 管。均与光管的传热特性进行比较。管内通水。实验结论： 对于光滑管来说，总传热系数随管内水速提高的变化甚微。对于t 形趔片管来说，增 加管内水速时，总的传热系数有较大的提高。对于带有整体内螺旋翅片的t 形管史属 如此，内螺旋翅片诱发的管内螺旋流和边界层分离流促进同等水速下的湍流流动，从 而提高管内强制对流给热系数，使总传热系数进一步提高。定量的比较表明，在实验 水速为o 5 1 7 m s 的范围内，带内螺旋翅片的t 形管的总传热系数使光滑管的1 9 2 6 倍，是t 形管的1 2 1 2 9 倍。而t 形管则是光管的1 6 2 0 倍。可见内螺旋翅片 的加入收到了良好的效果。 文献【1 6 】通过实验对光管、内覆丝网管、轧槽管及多头内肋管进行了强迫对流换 热和阻力特性的研究。根据工程需要，选用适当的准则对这些管子的强化传热进行了 评价。实验结果表明：( 1 ) 内插丝网管的n u 数比光管的有很大提高。但n u 数随r e 数的增加并非一条完全的直线。r e 3 0 0 0 0 的直线斜率要大一些。( 2 ) 单 头、双头轧槽管的n u 比光管的均有很大提高，且比内插丝网管告。它们的阻力系数 是光管的3 5 倍，但远比内插丝网管小，在相对节距、相对槽深相同的情况下，单 头、双头轧槽管强化效果接近，但阻力双头高于单头。( 3 ) 实验采用的8 头内肋管当 r e 5 0 0 c ) 、低流量时，强化效果显 著。温度越高，强化传热效果越显著。 文献【2 3 】对管内插螺旋丝单相对流强化换热和流动阻力待性进行了实验研究。选 取了1 2 种不同几何尺寸的螺旋丝进行强化换热性能研究，在换热条件下测得阻力损 失。结论：强化换热管的换热系数比光管有很大的提高：同时阻力损失也大大地增加， 其增加的幅度要比换热系数增加的幅度大得多。当流速增加时，阻力损失要比换热系 数增加得快。同时还可以看到，螺距比较小时，随着丝径的增大，换热先是增大然后减 小，阻力不断增大。螺距比较大时，换热系数、阻力随丝径的增大而增大。在试验范 围内，v 叫 = 2 8 1 5 ，厂石= 4 1 5 。当丝径比较小时，换热和阻力随螺距的减小 而增大；当丝径比较大时，随着螺距的减小，换热和阻力先是增加而后减小。 1 3 内翅片的作用分析n 3 目前在高参数大容量的热力发电厂中，为了提高热经济性能，常常采用蒸汽再循 环措施，即把已经在汽轮机高压汽缸内做完功的蒸汽重新送回到锅炉中加热，然后再 返回至汽轮机的中、低压汽缸继续膨胀做功。再热器的压力大约为2 o 4 o m p a ，流 经再热器的压力损失一般限制在蒸汽压力的1 0 以内，因为过高的压力损失会使循环 的热效率受到影响。由于受到压力损失的限制，再热器中的蒸汽的换热系数很小，一 般只有过热器中蒸汽换热系数的2 0 2 5 。就烟气侧的换热情况而言，过热器与再热 器相差不大。这样，再热器中蒸汽侧换热热阻在总热阻中所占比例就比过热器中要高 的多为了增强再热器中蒸汽侧的换热，一般采用两种措施，即增大蒸汽侧的换热系 数和增加散热面积。采用后一种措施的有效方法是在蒸汽侧的管壁上设置翅片。内翅 片主要有两个作用： ( 1 ) 增强换热。从换热管的总换热系数毛= 了7 专可可知，在定 一+ 一 一嘶以厶最 的温差下，要想增大传热量，就应该使分母中各项之值减小，并且可以看出，增大换 热系数和增大散热面积都可以减小i e t f ，也就是使相应于总面积的热阻减小，因而 6 山东大学硕士学位论文 簪 c 4 ， 舭科础罴 山东大学硕士学位论文 热系数之比为： 詈制2 鲁 s ， 将式( 1 - 6 ) 代入式( 1 - 3 ) 整理可得： 、l2 翌墨：f 堡1 生 ( 1 - 7 ) 一疋l 以4 由于u s 以，4 4 ，由上式可以推出：瓦， l ，即翅片管壁温比光管的壁温低。 这就说明内翅片管不但起到了强化换热而且也起到了降低壁温的作用。 1 4 研究内容 s 型内翅片管是近几年推出的一种应用于强化高温承压受热面内部介质传热性能 的传热元件。由于强化的管内工质侧传热恰好是热阻最大的一侧，因此，其传热系数 受管内放热系数的影响更大，或者说，传热效果的增加更明显。到目前为止还没有可 以应用的换热和阻力准则关系公式，因此有必要对s 型内翅片管在紊流大雷诺数的情 况进行研究，本文的工作就是研究s 型内翅片管在大雷诺数下的流动特性和传热特性。 暑 山东大学硕士学位论文 2 内翅片管的导热机理 2 1 内翅片管内的紊流换热 内翅片管中湍流换热的研究，除个别情况外3 1 i ，通常部是用实验方法来决定阻力 系数和换热系数的大小1 2 2 1 t 2 3 1 。由于湍流换热系数和流动雷诺数密切4 1 关，此在实验 数据处理中多数是以内翅管的实际传热面积来计算换热系数，并且在确定r e 数和v f ， 数时都足以内翅管的水力直径以为特征尺寸。但也有例外，如文i 缺 4 9 1 仵总结水在几 种内翅管内的换热试验结果时就是用光滑管面积作为基准来计算换热系数。在湍流状 况下采用的翅片高度比层流时要低，这是因为翅片的存在阻碍了流体的湍流运动，导 致了管内流体湍流度的降低，在湍流内翅管中传热面积f 的增加和流通面积a 的减少 都是不大的。 2 2 基本参数的导出 对于光滑圆管的摩擦系数，由定义： 生：- 4 厂生( 2 j ) d x。2 d 可以得出它的关系式： ，= 专( 一咎n 2 g p ：r 5 。( 一刳 协z ， 圆管内流体的雷诺数定义为： r e ：型：婴 ( 2 3 ) 。“ g 3 0 - 1 ，则认为西是 山东大学硕十学位论文 含有粗大误差的异常值。 按照以上方法对实验数掘进行了处理，结果见附录( 实验数 e 灰) 。 4 2 努谢尔特数的计算 本实验的两种强化传热管分别为轴向单s 管和轴向交叉s 管。内迎 形状为s 型， 贯穿管子横截面。单s 型内翅片管的内翅片沿管长上为一个整体，交叉s 掣内翘片管 的内翅片沿管长分为四段，榴邻两段的s 型内翅片譬9 0 度角。 由于轴向交叉s 管是将轴向单s 管的s 型翅片每隔一定长度旋转9 0 度得到，因 而它们的当量直径足相同的。都可用下式求得： n 一冗d j 一4 6r l f 哦5 焉群 实验中进出口空气的温差不大于5 0 c ，空气的定性温度取进出口温皮的f 均值。 换热量q 由下式求得： q = 勺历( 一乙) 式中和，o 。分别为水套进出口水温，f l 为冷却水流量，由实验测得；c 。为冷却水比 热，取4 1 8 驯( 酶) 。 为便于两种内翅片管的实验结果与光管做综合比较，本文将内翅片扩展表面对换 热的影响归入换热系数中，而将两种管的换热面积用光管的内表面积来代替。换热系 数k 可由下式求得： k = 老 式中彳为光管的内表面积，a t 。为实验管段进出口热空气温度与水套进出口水温的对 数平均温差 虬= 坠i 掣n二i 旦丝 7 0 0 式中已，乙分别为热空气进出口温度，由实验测得。 由于水与翅片管外壁面的对流放热系数岛远远大于热空气与翅片管内壁面的放 山东大学硕士学位论文 热系她，所以在公式k 2 女1 5 1 中，去项可以勰因而? q 一k a 2 2 ：1 & - r 。l 8 从而 ：华 以 ( 4 一1 ) 以上几式中， 、五分别是实验管( 包括光管和内翅片管) 管壁金属的导热系数和管 内热空气的导热系数。 4 3 流动阻力系数的计算 将r e y n o l d s 数定义为： r e - 兰盈 v 式中为来流的平均流速，按下式计算 “m = 式中，a 巴来流动压，由实验测得，p a ； 见管内热空气密度，k g m 3 ； 1 2 9 n 2 r 1 + 南 式中，f 管内热空气的平均温度。 阻力系数采用d a r c y 定义： ，r ：一a p r d j l 。p u ：2 式中印管子进出口压降，p a ； ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) 坪 山东大学硕士学位论文 ，管子长度，册。 山东大学硕士学位论文 5 实验结果讨论及分析 5 1 光管的传热和流动阻力试验 对光管进行的试验可以有效的检验试验台的性能和试验方法是否准确。在这一方 面，i j 人已经作出了大量的工作，计算公式比较完善。 在恒热流条件下，对于光管中的充分发展的紊流，般用d t t u s - - b o e i t e r 公式 来计算换热系数咖1 ：n u = o 0 2 3 r e o 。p r ”，其中，加热流体时疗= 0 4 ，冷却流体时h = 0 3 ； 式中采用流体的平均温度( 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，取管内直径为特征尺寸。该公式的适用范围为：1 0 4 r e 1 2 1 0 5 ，0 7 p r 1 2 0 ， l a 6 0 ( 流体进入充分发展段) 。 对于水力光滑管中的流动摩擦阻力，一般采用b l a s i u s 公式来计算摩擦阻力 捌：f = 0 0 7 9 r e ”，该公式的适用范围为：1 0 4 r e 1 2 x 1 0 5 ，0 5 p r 1 0 ；文献 推荐了一个适用范围更大的计算公式：n u = 0 0 2 1 4 ( r e 。s - t 0 0 ) p r 。4 1 + ( 形f ) 郫 ， 此式的适用范围为：0 s l 1 ，0 6 p r 1 5 ，2 3 0 0 r e 4 0 0 0 0 时交叉s 管的对流换热系数大于光管的对流换热系数瑾：，