强化传热新技术及其应用.docVIP

第三章 旋流管管内换热与阻力实验研究 旋流管【1~4】亦称异形螺旋槽纹管，它是一种优良的高效异形 强化传热元件，对管内单相流体的换热过程有着显著的强化作用。 与其他异形管相比具有制造简单，加工方便；与阻力增加幅度相 比、传热能力提高较多等优点．本章重点介绍作者在北京理工大学 热工实验室对旋流管的传热与流阻进行的实验研究，该研究成果已 应用于工业实践中，取得了良好的经济效益． 3．1 旋流管结构及特点 图3-1为单头旋流管结构示意，用机械滚压方法轧制成具有外 凹内凸的螺旋形槽，螺旋口槽剖面 采用半流线的勺形或“w”形等多 种形面，不同于常见的螺旋槽纹管 或螺纹管，其主要参数为旋流管内 直径Di，螺旋槽深度e，螺旋槽节 距p，螺旋角β。 对一般光管来说，当冷流体在 图3-1 单头旋流管结构示意 管内流动时，靠近管壁表面处总是处于层流状态，层流底层虽然很 薄．但由于它是靠导热传热．因而热阻很大，传热效率降低．因 此，强化管内流体传热主要是破坏该层流边界层，单从提高Re的 角度来强化传热，并不能彻底解决流体的速度分布，必须改进管子 的结构来提高传热量． 改进管子的结构使通过管子的流体在螺旋槽纹的引导下，产生附加的旋转流动，减薄了层流底层的厚度，使热阻减小，传热得到 增强：与此同时，流体受螺旋状凸肋的作用，产生边界层分离现 象．加强了流体混合，从而加强了对壁面附近流体的扰动，提高了 近壁区的湍流强度，使得管内换热能力得到强化． 3．2 旋流管管型的选择 本实验研究了8根铜制旋流管，其具体的结构参数见表3-1． 表3-1 旋流管的结构参数 管号 外径 /mm 内径 /mm 槽深e/mm 节距p/mm e/Di p/Di 螺旋角β 1-12-1﹟ 12 10 0.45 5 0.045 0.5 80.96 1-12-2﹟ 12 10 0.5 5.5 0.05 0.55 80.07 1-14-1﹟ 14 12 0.35 6 0.0291 0.5 80.96 1-14-2﹟ 14 12 0.55 7 0..0458 0.5833 79.48 1-16-1﹟ 16 14 0.5 6 0.0357 0.4286 82.23 1-16-2﹟ 16 14 0.56 7 0.04 0.5 80.96 1-19-1﹟ 19 17 0.62 8.5 0.0365 0.5 80.96 1-19-2﹟ 19 17 0.75 9.5 0.0441 0.5588 79.91 3．3 管内换热实验装置及实验数据的处理 3.3.1 实验原理 图3—2所示为本实验的实验装置系统流程[2】 试验管装于试验筒体内，它的有效传热长度为1300mm，其他 结构尺寸见表3—1．实验以水为工质，水蒸气在水平管外冷凝，管 内走冷却水．水蒸气和水分别形成循环系统．饱和水蒸气在带有电 加热器的锅炉中生成，并维持在所需要的数值．锅炉中产生的水蒸 气温度和压力分别由温度计和压力表测量，蒸汽量由管道上的阀门 控制．蒸汽经过管道进入冷凝器内，由安装在冷凝器内左、中、右 三处的铜—康铜热电偶测定其温度，取平均值作为蒸汽的饱和量度． 进入冷凝器后的蒸汽在实验管外表面上冷凝；由于旋流管外表面也 有螺旋槽．蒸汽横掠旋流管凝结放热时，在旋流管表面形成了凝 液，凝液在表面张力作用下流向螺旋槽沟，减小了两螺旋槽沟之间 旋流管表面蒸汽疑液的薄膜厚度，提高了该表面的蒸汽放热系数。 因而在壳侧凝结放热条件下的旋流管对汽侧和液侧放热都进行了强 化，从而提高了旋流管的整体传热系数．凝液进入试验筒体下部的 集水槽，水槽中的凝水排人试验体外的计量杯，根据凝液在计量杯 中上升的高度用秒表计时以测量凝液量． 试验时，待介质进出口温度，试验管管壁温度和蒸汽压力保持 一定时间，工况稳定后，再进行各种参数的测定。每改变一个工 况，应有一定的时间间隔，在同一工况下，应测量几次数据，以便 整理数据时，剔除一些不合理数据． 在进行实验时，同时打开各实验管的进口阀门，控制冷却水流 量及进口温度，待汽、液两侧均稳定后记录各测点的温度及流量的 读数，取值两次，其平均值作为实验数据，改变不同的冷却水流量 及温度，可以测得不同流量下的冷凝传热工况． 各实验管在焊热电偶之前，均用洗衣粉水浸泡8h，然后用水冲洗 干净，用稀盐酸进行表面处理，清除管表面上的油污，最后用细砂纸将表面擦亮．这样，就消除了因传热管表面不洁对传热性能的影响． 3.3.2 实验数据的处理 本试验台的试验管，因管外侧为冷疑放热．内侧为水与壁面对流 换热，故α＞αi，即可看作等壁温边界条件下管内单相流体对流换热． 由传热学【5~