双侧强化管热阻分离实验研究

赵安利,田松娜,张定才,杨晓明

(中原工学院,郑州 450007)

双侧强化管热阻分离实验研究

赵安利,田松娜,张定才,杨晓明

(中原工学院,郑州 450007)

通过对3根水平双侧强化管进行冷凝实验,用Wilson热阻分离方法计算出换热管管内强化倍率,并找出了影响管内表面传热系数的因素.实验与计算结果显示,在本文研究范围内,管内强化倍率随内齿高度的增大而增大,其原因是强化管内表面凸起使流体流过时形成周期性的扰动,强化了换热.

双侧强化管;热阻分离;强化倍率

由于能源危机以及原材料价格的上涨,在空调制冷行业,生产企业通过提高换热器的换热效率以降低生产成本.双侧强化是一种有效的强化换热方法,已得到广泛应用.目前获得管内表面传热系数的方法主要是直接测壁温法和Wilson热阻分离法.直接测壁温法的不足之处在于,对于管内壁结构复杂的强化管,很难布置测温元件,因此难以准确测出管内壁面温度.W ilson热阻分离法[1]可以较方便地分离出管内外侧换热热阻,从而为强化换热研究提供依据.

本文采用W ilson热阻分离法与 Gnielinski公式计算管内对流换热系数,对光管和3根双侧强化管进行管内外换热实验研究,分离出管内强化倍率ci,再由公式hi=ci hip计算出强化管内表面传热系数,并对实验结果进行分析.

1 实验系统

实验系统如图1所示.该系统主要由制冷剂循环、冷凝水循环和蒸发水循环3部分组成.液态制冷剂在蒸发器内被高温水加热至沸腾,变为气态;气态制冷剂通过上升管进入冷凝器,在冷凝器内被冷凝成液体,通过下降管循环回到蒸发器内完成一个循环.冷凝水从冷凝水箱流经水泵、流量计进入实验管,之后再回到冷凝水箱完成一个循环.蒸发水从蒸发水箱流经水泵、流量计进入蒸发器,然后回到蒸发水箱完成一个循环.冷凝水箱和蒸发水箱均由加热系统和制冷系统来维持其温度恒定.

图1 实验系统示意图

系统内温度、冷凝水和蒸发水进出口温度均由经过标准水银温度计标定过的 Pt100铂电阻温度计测量.

实验冷凝温度为(40±0.1)℃,冷凝水流速为1.5～4.5 m/s,对光管(Cs)和3根双侧强化管(C31、C36和C38)进行了实验研究.其几何结构参数如表1所示.

表1 试验管的几何参数

2 实验方法

2.1 总传热系数

总传热系数k按公式(1)进行计算[2]:

式中:φ为换热量,W;Ao为胚管外表面积,m2;Δtm为对数平均温差,K.

2.2 管内表面传热系数

光管管内表面传热系数采用 Gnielinski公式[3]即公式(2)进行计算.Gnielinski公式既适用于旺盛湍流区,又适用于过渡区,其预测结果与90%实验数据的相对偏差都在±10%以内,属于计算管内表面传热系数精确度较高的公式.

式中:L为管长,m;f为湍流阻力系数,按下式计算:

实验验证范围:Re为2 300～106;Prf为0.6～105.

2.3 强化倍率ci的计算

强化倍率ci采用 Wilson热阻分离法[1]与Gnielinski公式相结合的方式得出[3-4].

总传热系数可表示成下式:

由于被测试管是新加工的铜管,实验时忽略管内外的污垢热阻Rf.式中di、do为胚管内、外直径;Rw为壁面热阻.所以式(3)变为:

管内表面传热系数可按公式(5)计算:

公式(4)又可表示为:

将管内表面不同传热系数的实验值画在1/k-1/hip图上,由公式(6)可求出通过这些实验点的直线的斜率m,由公式(7)可求出ci值.

3 实验结果与分析

3.1 实验系统的可靠性

为了确保实验系统的可靠性,对本实验台在冷凝温度为40℃时进行R22光管管外冷凝换热校核实验,图2所示是光管管外表面传热系数与Nusselt理论值的比较.

实验结果表明,R22在光管外的凝结换热系数ho与Nusselt理论值的相对偏差都在±5%以内,这与前人的研究结果相一致[2,5-6],可以认为实验系统可靠.

3.2 光管管内强化倍率的校核

用Wilson热阻分离法与 Gnielinski公式对光管管内强化倍率进行校核实验,并将实验结果(如图3所示)与理论值1.0作比较.通过实验结果计算出光管管内强化倍率为1.009,其与理论值1.0的相对偏差

图2 光管校核实验结果

为0.9%,表明采用该方法分离管内外表面传热系数是可靠的.

图3 光管 Wilson图

3.3 强化管管内强化倍率

图4所示是各强化管Wilson曲线图,横坐标为光管管内表面传热系数的倒数,纵坐标为总传热系数的倒数.通过W ilson实验可得各管的管内强化倍率,如表2所示.

图4 试验管的Wilson图

表2 强化倍率表

从表2中可以看出:对于本实验所研究的3种管型C38、C36和C31,它们的内齿高是逐渐增加的,由0.32 mm增加到0.34 mm,其强化倍率ci也呈逐渐增大的趋势,由2.267增加到2.343,强化倍率均大于1.0.这表明内螺纹起到了明显的强化作用,使管内表面传热系数成倍增加.

虽然3根强化管管内螺旋角、齿间距等都相同,仅齿高不同,但是实验得出的强化倍率却不一样.从实验结果可以看出,强化倍率ci与管内齿高之间存在一定的关系.分析得出,强化倍率随齿高的升高而增大,在本文实验参数范围内,加大内齿高度,可以提高管内强化倍率.出现这种现象的原因是由于管内有加工成的螺旋形凸起,靠近壁面的一部分流体经过螺旋形凸起时能产生周期性扰动,使得管内换热起到了强化作用.本文所研究的3根强化管,它们的强化倍率不同,其主要原因是由于管内加工的螺旋形凸起的高度不同造成的[7-8].

由于在一定范围内,管内强化倍率随内齿的增高而变大,提高了管内表面传热系数,在工程使用中要减小换热器的体积和提高管内表面传热系数,可以通过改变内齿高的方法来实现.

4 结 语

通过对光管和3根水平双侧强化管的换热实验研究,并进行热阻分离,得出以下结论:

(1)应用Wilson热阻分离法得出光管的实验值与理论值相对偏差为0.9%,表明该方法是可靠的;

(2)对于所研究的3种不同管型,管内强化后,其强化倍率都在2.2～2.4之间,起到了明显的强化作用;

(3)管内强化倍率ci与内齿高之间存在一定的关系,在一定范围内,强化倍率随内齿高的升高而增大.

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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

河南省科技攻关项目(092102210288)

赵安利(1974-),男,河南新乡人,硕士生.