空气横掠圆管表面传热特性实验教学装置改进

盛 健, 豆斌林, 侯 昊, 羊恒复, 刘旭阳, 袁宏伟

(上海理工大学 能源动力工程国家级实验教学示范中心, 上海 200093)

外部流动换热是指换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展,不会受到临近通道壁面存在的限制,是传热学教学中的重点内容之一,包括流体横掠单管、球体及管束等。空气横掠单管是流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面[1]。流体横掠单管流动除了具有边界层特征外,还要发生扰流脱体,而产生回流、漩涡和涡束。因此,研究流体横掠单管,尤其是圆管,是其他外部流动换热的基础,是能源动力类等相关专业学生需掌握的重要知识点。上海理工大学能源动力工程国家级实验教学示范中心开发了空气横掠圆管表面传热特性实验教学装置,与理论教学相辅相成,获得了很好的教学效果[2-4]。

该实验装置主要功能是测试空气横掠圆管时,沿圆管表面局部表面传热系数的变化和圆管表面平均表面传热系数的关联式,以及不同风速及圆管表面温度对上述两个传热特性的影响。让学生了解对流换热实验研究方法,学习测量空气流速、温度和热量的基本技能,测定空气横掠圆管时表面温度分布、平均表面传热系数关联式的求解,达到熟练掌握空气横掠圆管时的对流传热规律。

1 存在的问题

实验教学装置如图1所示,由风洞和传热测试段组成。离心风机将空气吸入风洞,由进风口进入,整流后,测量进风温度tf1,横掠圆管并换热,再测量换热后空气温度tf2。通过毕托管测量空气动压,进而计算空气流速及风量。空气风量的调节通过调节风阀开度,来改变风机风量与压头工作特性。为提高可视性,风洞采用有机玻璃制成的方形流道(200 mm×100 mm),表面光滑,因此避免了涡流的影响。

图1 空气横掠圆管表面传热特性实验教学装置示意图

如图2所示,换热圆管包括外侧铜圆管(Φ22 mm,长200 mm)和内侧电加热管(Φ10 mm,长200 mm),外侧圆管表面车削出4个凹槽,间距为90°,用于埋设温度传感器,分别测量迎风面、背风面、上侧面和下侧面温度,以观测沿圆管表面局部表面传热系数的变化；4个温度取平均值,用于计算圆管表面平均表面传热系数。改变电加热管的输入的电压和电流,从而改变电加热管发热量,换热圆管换热量和壁面温度,研究壁面温度对传热系数的影响[5-7]。

图2 电路及测量系统示意图

根据对流换热的相似分析,稳定强制对流换热可用准则关联式表示[8]：

Nu=f(Re,Pr)

(1)

式中,Nu为传质努塞尔数,Re为雷诺数,Pr为普朗特数。

由于换热介质为空气,在温度变化范围不大时,其Pr数变化很小,可作常数处理,式(1)可简化为式(2)[9]。

(2)

式中,c和n为系数,下标f表示流体。

1.1 计算结果误差大

实验中,学生通过测量和计算发现,圆管表面温度较低,因此与空气的换热量较小,空气换热前后温差较小,求解的传热关联式中系数c和n与推荐值相差较大。

拆开传热测试段后,发现内侧电加热管和外侧换热圆管之间存在较大间隙,传热圆管外径22 mm,壁厚2 mm,而内侧电加热管外径10 mm,存在4 mm的空气夹层。空气是热的不良导体,因此内侧电加热管与外侧换热圆管之间热阻较大,温差也很大。为了实验测量该温差,在内侧电加热管表面用耐高温胶粘接K型热电偶用于测量内侧电加热管壁面温度(见图3),由于耐高温胶导热性好,并且涂抹层较薄,因此所测温度略高于内侧电加热管壁面温度,基本可视为相等。

图3 内侧电加热管壁面温度测点

实验装置改进前,测量数据如表1所示,较高风量和风速条件下,圆管外壁面温度远低于内侧电加热管外壁温度,相差约300 ℃。这就造成内侧电加热管工作在高温状态下,使用寿命大大缩短,甚至一旦加热功率偏大,电加热管温度就会超过烧毁温度而损坏。同时,换热圆管外壁面温度较低,与空气的换热量较小,所测参数变化量小,误差较大。学生求解的圆管表面平均表面传热系数关联式中的系数c和n与推荐值的误差分别高达±100%和±150%,影响学生利用实验结果验证理论教学推荐值的教学目的。

当然通过圆管外侧4个温度测点的温度,可以与理论教学中的沿圆管表面局部表面传热系数的变化形成印证,即相同工况下,由于边界层的成长和流动脱体,决定了横掠圆管换热的特征,迎风面换热性能好于上下侧面,而背风面由于尾迹涡旋和空气换热温升,因此温度最高。

1.2 实验效率低

实验教学过程中,在学生预习和教师讲解结束后,学生的实验操作消耗时间太长,主要是等待时间长,即电加热功率或风量调节后,等待换热圆管温度稳定需要等待的时间过长。主要原因是换热段中存在空气夹层,使重新达到稳态换热需要的时间更长。

1.3 实验装置维修频繁

有些学生为获得较高换热圆管壁面温度而将电加热管功率设定过大,虽然换热圆管壁面温度确有提高,但电加热管长期处于高温工作状态,使用寿命大大降低,甚至实验中烧断,必须经常更换,装置的维修成本高。

表1 改进前测试结果

2 实验装置改进

针对实验教学装置中内侧电加热管与外侧换热圆管之间存在热阻较大的空气间隙,如果消除此间隙,导热性就可提高,就可同时解决上述问题。

经过查阅资料和分析研究[10-11],填充导热材料最后在导热硅胶和耐高温无机胶C2之间做出取舍。在实际的操作过程中,因导热硅胶黏度大,难以注入,而C2无机胶是用两种成分混合而成,混合后流动性好,易于填充间隙,晾干后导热性好,孔隙少,因此决定使用耐高温无机胶C2作为填充材料注入内侧电加热管与外侧换热圆管的间隙,如图4所示。

图4 电加热管与圆管间填充耐高温导热胶

3 改进效果

实验装置改进后,测量数据见表2,较高风量和风速条件下,圆管外壁面温度与内侧电加热管外壁温度更为接近,相差约70 ℃,相对于改进前有很大提高,尤其是内侧电加热管壁面温度有大幅下降,安全性大大提高。学生求解的圆管表面平均表面传热系数关联式中的系数c和n与推荐值的误差分别降至±90%和±75%,有较大幅度提高。此外,实验中,电加热功率和风量调节后,重新达到稳态需要等待的时间缩短,提高了实验效率。

表2 改进后测试结果

4 结语

原实验教学装置中内侧电加热管与外侧换热圆管之间存在4 mm厚的空气间隙,影响实验计算结果，降低实验效率和安全性,实验装置维修成本高。在电加热管与圆管间填充了导热性能较好的耐高温无机胶C2,改善了电加热管热量的传递,提高了外侧换热圆管的壁面温度,降低测量误差,提高实验准确性，减少实验等待时间,提高实验效率，延长电加热管使用寿命,节约实验经费。

改进后,根据测试数据,求解的关联式的系数c和n值与推荐值仍有相当误差,还需进一步提高风量和温度等测量准确性。