趙安利,田松娜,張定才,楊曉明

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

雙側(cè)強(qiáng)化管熱阻分離實(shí)驗(yàn)研究

趙安利,田松娜,張定才,楊曉明

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

通過對3根水平雙側(cè)強(qiáng)化管進(jìn)行冷凝實(shí)驗(yàn),用Wilson熱阻分離方法計(jì)算出換熱管管內(nèi)強(qiáng)化倍率,并找出了影響管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素.實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果顯示,在本文研究范圍內(nèi),管內(nèi)強(qiáng)化倍率隨內(nèi)齒高度的增大而增大,其原因是強(qiáng)化管內(nèi)表面凸起使流體流過時(shí)形成周期性的擾動(dòng),強(qiáng)化了換熱.

雙側(cè)強(qiáng)化管;熱阻分離;強(qiáng)化倍率

由于能源危機(jī)以及原材料價(jià)格的上漲,在空調(diào)制冷行業(yè),生產(chǎn)企業(yè)通過提高換熱器的換熱效率以降低生產(chǎn)成本.雙側(cè)強(qiáng)化是一種有效的強(qiáng)化換熱方法,已得到廣泛應(yīng)用.目前獲得管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法主要是直接測壁溫法和Wilson熱阻分離法.直接測壁溫法的不足之處在于,對于管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的強(qiáng)化管,很難布置測溫元件,因此難以準(zhǔn)確測出管內(nèi)壁面溫度.W ilson熱阻分離法[1]可以較方便地分離出管內(nèi)外側(cè)換熱熱阻,從而為強(qiáng)化換熱研究提供依據(jù).

本文采用W ilson熱阻分離法與 Gnielinski公式計(jì)算管內(nèi)對流換熱系數(shù),對光管和3根雙側(cè)強(qiáng)化管進(jìn)行管內(nèi)外換熱實(shí)驗(yàn)研究,分離出管內(nèi)強(qiáng)化倍率ci,再由公式hi=ci hip計(jì)算出強(qiáng)化管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)主要由制冷劑循環(huán)、冷凝水循環(huán)和蒸發(fā)水循環(huán)3部分組成.液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)被高溫水加熱至沸騰,變?yōu)闅鈶B(tài);氣態(tài)制冷劑通過上升管進(jìn)入冷凝器,在冷凝器內(nèi)被冷凝成液體,通過下降管循環(huán)回到蒸發(fā)器內(nèi)完成一個(gè)循環(huán).冷凝水從冷凝水箱流經(jīng)水泵、流量計(jì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管,之后再回到冷凝水箱完成一個(gè)循環(huán).蒸發(fā)水從蒸發(fā)水箱流經(jīng)水泵、流量計(jì)進(jìn)入蒸發(fā)器,然后回到蒸發(fā)水箱完成一個(gè)循環(huán).冷凝水箱和蒸發(fā)水箱均由加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)來維持其溫度恒定.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)內(nèi)溫度、冷凝水和蒸發(fā)水進(jìn)出口溫度均由經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)標(biāo)定過的 Pt100鉑電阻溫度計(jì)測量.

實(shí)驗(yàn)冷凝溫度為(40±0.1)℃,冷凝水流速為1.5～4.5 m/s,對光管(Cs)和3根雙側(cè)強(qiáng)化管(C31、C36和C38)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)管的幾何參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)k按公式(1)進(jìn)行計(jì)算[2]:

式中:φ為換熱量,W;Ao為胚管外表面積,m2;Δtm為對數(shù)平均溫差,K.

2.2 管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

光管管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用 Gnielinski公式[3]即公式(2)進(jìn)行計(jì)算.Gnielinski公式既適用于旺盛湍流區(qū),又適用于過渡區(qū),其預(yù)測結(jié)果與90%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對偏差都在±10%以內(nèi),屬于計(jì)算管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)精確度較高的公式.

式中:L為管長,m;f為湍流阻力系數(shù),按下式計(jì)算:

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍:Re為2 300～106;Prf為0.6～105.

2.3 強(qiáng)化倍率ci的計(jì)算

強(qiáng)化倍率ci采用 Wilson熱阻分離法[1]與Gnielinski公式相結(jié)合的方式得出[3-4].

總傳熱系數(shù)可表示成下式:

由于被測試管是新加工的銅管,實(shí)驗(yàn)時(shí)忽略管內(nèi)外的污垢熱阻Rf.式中di、do為胚管內(nèi)、外直徑;Rw為壁面熱阻.所以式(3)變?yōu)?

管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按公式(5)計(jì)算:

公式(4)又可表示為:

將管內(nèi)表面不同傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值畫在1/k-1/hip圖上,由公式(6)可求出通過這些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的直線的斜率m,由公式(7)可求出ci值.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性

為了確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,對本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在冷凝溫度為40℃時(shí)進(jìn)行R22光管管外冷凝換熱校核實(shí)驗(yàn),圖2所示是光管管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與Nusselt理論值的比較.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,R22在光管外的凝結(jié)換熱系數(shù)ho與Nusselt理論值的相對偏差都在±5%以內(nèi),這與前人的研究結(jié)果相一致[2,5-6],可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠.

3.2 光管管內(nèi)強(qiáng)化倍率的校核

用Wilson熱阻分離法與 Gnielinski公式對光管管內(nèi)強(qiáng)化倍率進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖3所示)與理論值1.0作比較.通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出光管管內(nèi)強(qiáng)化倍率為1.009,其與理論值1.0的相對偏差

圖2 光管校核實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為0.9%,表明采用該方法分離管內(nèi)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是可靠的.

圖3 光管 Wilson圖

3.3 強(qiáng)化管管內(nèi)強(qiáng)化倍率

圖4所示是各強(qiáng)化管Wilson曲線圖,橫坐標(biāo)為光管管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的倒數(shù),縱坐標(biāo)為總傳熱系數(shù)的倒數(shù).通過W ilson實(shí)驗(yàn)可得各管的管內(nèi)強(qiáng)化倍率,如表2所示.

圖4 試驗(yàn)管的Wilson圖

表2 強(qiáng)化倍率表

從表2中可以看出:對于本實(shí)驗(yàn)所研究的3種管型C38、C36和C31,它們的內(nèi)齒高是逐漸增加的,由0.32 mm增加到0.34 mm,其強(qiáng)化倍率ci也呈逐漸增大的趨勢,由2.267增加到2.343,強(qiáng)化倍率均大于1.0.這表明內(nèi)螺紋起到了明顯的強(qiáng)化作用,使管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)成倍增加.

雖然3根強(qiáng)化管管內(nèi)螺旋角、齒間距等都相同,僅齒高不同,但是實(shí)驗(yàn)得出的強(qiáng)化倍率卻不一樣.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,強(qiáng)化倍率ci與管內(nèi)齒高之間存在一定的關(guān)系.分析得出,強(qiáng)化倍率隨齒高的升高而增大,在本文實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),加大內(nèi)齒高度,可以提高管內(nèi)強(qiáng)化倍率.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于管內(nèi)有加工成的螺旋形凸起,靠近壁面的一部分流體經(jīng)過螺旋形凸起時(shí)能產(chǎn)生周期性擾動(dòng),使得管內(nèi)換熱起到了強(qiáng)化作用.本文所研究的3根強(qiáng)化管,它們的強(qiáng)化倍率不同,其主要原因是由于管內(nèi)加工的螺旋形凸起的高度不同造成的[7-8].

由于在一定范圍內(nèi),管內(nèi)強(qiáng)化倍率隨內(nèi)齒的增高而變大,提高了管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),在工程使用中要減小換熱器的體積和提高管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),可以通過改變內(nèi)齒高的方法來實(shí)現(xiàn).

4 結(jié) 語

通過對光管和3根水平雙側(cè)強(qiáng)化管的換熱實(shí)驗(yàn)研究,并進(jìn)行熱阻分離,得出以下結(jié)論:

(1)應(yīng)用Wilson熱阻分離法得出光管的實(shí)驗(yàn)值與理論值相對偏差為0.9%,表明該方法是可靠的;

(2)對于所研究的3種不同管型,管內(nèi)強(qiáng)化后,其強(qiáng)化倍率都在2.2～2.4之間,起到了明顯的強(qiáng)化作用;

(3)管內(nèi)強(qiáng)化倍率ci與內(nèi)齒高之間存在一定的關(guān)系,在一定范圍內(nèi),強(qiáng)化倍率隨內(nèi)齒高的升高而增大.

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Experimental Study of Thermal Resistances Discretization on Doubly-Enhanced Tubes

ZHAO An-li,TIAN Song-na,ZHANG Ding-cai,YANG Xiao-m ing
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Experimental study on condensation heat transfer are conducted over three horizontal doublyenhanced tubes.Wilson’s thermal resistance discretization are used to calculate inner enhancement rate,some influent facto rs are studied,too.Experimental and calculating results indicate that w ith the increase of inner fin height,the enhancement rate is increased,w ithin the tube parameters studied by this paper.The reason is that the convexes of helical rib results in the fluid periodic disturbances and enhances the heat transfer.

doubly-enhanced tubes;thermal resistance discretization;enhancement rate

TK124

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2011.01.004

1671-6906(2011)01-0015-04

2010-11-25

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(092102210288)

趙安利(1974-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士生.