换热管内自旋扭带传热性能的研究

2013-12-23李健

机械工程师 2013年1期

李健

（沈阳特种设备检测研究院，沈阳110035）

1 引言

由传热基本方程Q=KAΔTm不难看出，增大传热系数K、传热面积A 和传热平均温差ΔTm，都可以提高传热速率。其中，设法增大总传热系数K 是强化传热的主要途径。

欲提高传热速率，关键在于减小传热过程的热阻。热边界层越薄，温度梯度越大，热阻就越小。所以通过改善流动状况，使边界层变薄，或通过相应措施，对边界层造成更大扰动以至破坏，是强化传热的主要途径之一。本实验研究所用自旋扭带就是通过旋转来达到扰流，破坏边界层，并使其变薄，从而对传热进行了强化。本文主要介绍通过实验研究自旋扭带对管内侧给热系数的影响。

2 热态试验分析

2.1 总传热系数K 的分析

通过实验数据计算所得的总传热系数K 与雷诺数Re 关系如图1 所示。K 与Re 成对数关系，且随着雷诺数Re 的增大，总传热系数K 也增大。可以看出在相同雷诺数下，自旋扭带与空管相比总传热系数K 有了明显提高。从图中发现不同结构参数的自旋扭带对总传热系数K 的影响很小，所以在分析总传热系数时，可以忽略自旋扭带的结构参数变化对其影响。

图1 总传热系数K 与雷诺数Re 的关系图

自旋扭带的总传热系数K 的综合回归方程为K＝785ln（Re）-5485，经过计算误差均在±5%以内，且有90%的数据在±1%以内。

与空管的总传热系数K 的回归方程进行分析比较，总传热系数K 在加入自旋扭带后，有了很大的提高。尤其在低雷诺数时，总传热系数提高12%～62%。由此可知自旋扭带在低雷诺数时，会达到比较好的传热效果。

2.2 威尔逊Wilson 图解法确定给热系数关联式

式中，Nu-努塞尔准数；μ-冷流体粘度，Pa·s，由t定查取；μw-壁温下的水的粘度，Pa·s；C－给热关联式系数；p-雷诺数Re 的指数；Pr-普朗特数。

Wilson 图解法的目的就是求关联式中的系数C 及Re 数的指数p。由于计算中要反复试差，工作量很大，本文采用MATLAB 编程处理数据。

图2 表示的是自旋扭带试件与空管的比较的Nu 准数与雷诺数关系图。可以看出Nu 准数随着雷诺数Re 的增加而增大，在相同的雷诺数Re 下，有自旋扭带的换热管比空管的Nu 数要高。而且不同结构参数的自旋扭带对Nu 准数的提高不同。

图2 Nu 准数与雷诺数Re 关系图

由图2 可知，随着雷诺数Re 的增加，Nu 值的提高率减小，即提高率η 随Re 的增加而减小。

对式两端取对数，进行变量代换，化为多元线性函数形式，代入实验数据，进行多元线性回归分析。

式中，D-自旋扭带带宽，m；di-换热管内径，m；Y-自旋扭带扭转比。

式中只有结构参数D/di影响Nu 准数的值，且Nu 值随D/di增大而增大。在固定的换热管中，置入自旋扭带，Nu 值随自旋扭带的带宽D 增大而增大。

该关联式所依据的344 个热态实验数据（雷诺数Re>10000）中，有98%的数据与关联式的偏差在±10%以内。

2.3 传热性能评价

以上对插入自旋扭带的传热性能进行了计算，也做了基本的性能分析。下面对其计算结果进行评价。传热效果的强化都是以牺牲流体的阻力为代价的，导致换热强化性能的降低。所以评价的标准要考虑两个因素：一是流体阻力；二是传热性能，且要综合起来评价。

式中，λ 为摩擦阻力系数；下标“0”表示空管对应的物理量。φ＞1 表示强化传热手段有效，φ 值越高，则强化传热效果愈好。

图中反映了传热性能评价因子φ 随雷诺数Re 的变化趋势。文献［2］指出，只有φ＞1 时，才有应用价值。可以看出做实验的9 根自旋扭带，其传热性能评价因子φ 不同。同一根自旋扭带随雷诺数Re 增大，性能评价因子φ逐渐增大。图中可以看出，所有试件的φ 值基本上在整个雷诺数Re 变化区间里都大于1.3，说明它们的强化效果的综合性能比较好，效果很明显。