强化传热新技术及其应用 第三章Word文档格式.docx
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7
0..0458
0.5833
79.48
1-16-1﹟
16
0.0357
0.4286
82.23
1-16-2﹟
0.56
0.04
1-19-1﹟
19
17
0.62
8.5
0.0365
1-19-2﹟
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【5~7】知，介质在管内流动时所获得的热量Q。
可表示为
（3-1）
式中m1---介质的质量流量，kg/s；
Cp-----管内水的定压比热容,kj/（kg.k）；
tf2”----管内水的出口温度，℃；
tf1’----管内水的进口温度，℃。
同时蒸汽冷凝时放出的热量Qr可表示为
（3-2）
式中mc----蒸汽的质量流量，kg/s
r”----饱和水蒸气的焓，kJ/kg
由牛顿冷却公式可知
（3-3）
式中α------管内对流传热系数，W/（m2.K）
tW------试验管壁温度，℃
A--------实验管的传热面积，m2
tf2------沿实验管长的平均温度，℃。
（3-4）
（3-5）
（3-6）
侧取的数据必须满足（Qw-Qr）/QwX10小于±
5%。
因管壁很薄，且铜管的热导率高，故直接取测量点的量度值的平均值作为
管壁的平均温度；
因实验加工前后管径略有变化，为了便于和光滑
管比较，旋流管的内外径均以加工前光滑臂的直径为计算基准．为了对试验台进行标定．在做旋流管传热试验前，先进行光管
的传热实验，其传热系数的实验值与适应于黏性流体传热计算的
Sieder-Tate公式计算式[5]
Nu=0.027Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14（3—7）
相比较，在大部分实验参数范围内的相对误差为-7.5％～
+9.4％，这表明传热试验结果是可靠的．
（1）用最小二乘法和相似原理确定换热准则关联式【8~10】
相似原理是数学分析和实验测定相结合的方法，首先对描述现
象的微分方程进行相似变换，得到一系列描述现象特征的相似准
则，然后通过实验找出相似特征数之间的函数关系．
根据相似准则的物理意义，可以列出换热管的准则方程式的表
达形式
Nu=f（Re,Pr,Gr）（3—8）
以上4个特征数是研究对流换热问题所常用的特征数，本文的
传热过程属于受迫湍流换热，自然对流的影响可以忽略不计，即可
以略去Gr，又本实验以热水为介质，Pr的方次关系为Pr0.4，于
是式（3-8）可以简化为Nu＝f（Re），即可以表示为
Nu=CRem（3-9）
对式（3-9）两边取对数可以得到
lnNu=lnC+mlnRe（3-10）
式（3-10）相当于线性函数y=a+bx，可以用最小二乘法根
据多个工况点实验数据（x，y，）来求出回归直线Yi=a+bXi中
的回归系数a和b，a相当于式（3-10）中的InC，b相当于m，从
而得到换热准则式Nu=CRem。
具体步骤如下．
①根据最小二乘法编制线性回归程序。
②输入一组（lnRe，lnNu）作为已知数据（Xi，Yi）．
③计算并打印出系数C，m使得到准则式Nu=CRem.
④根据不同结构尺寸的旋流管的实验数据，求出所有试验管
的准则方程式．
传热实验数据计算回归结果见表3-2
表3-2传热实验数据计算回归结果
计算回归结果
Nu=0.4866Re0.5305
Nu=2.3662Re0.3578
Nu=1.2544Re0.3897
Nu=2.4687Re0.3434
Nu=1.3833Re0.3784
Nu=1.6681Re0.3873
Nu=0.6146Re0.4845
Nu=3.551Re0.32588
根据以上实验数据的回归结果，可以计算出旋流管与光滑管传热性能的比较（NuH/Nus），列入表3-3.同理可计算出旋流管与光滑管传热性能的比较（KH/KS）列入表3-4.
Re
表3-3旋流管与光滑管传热性能的比较
8000
10000
15000
20000
25000
2.124
2.048
1.917
1.83
1.764
1.703
1.696
1.684
1.676
1.669
1.392
1.379
1.355
1.338
1.325
1.586
1.608
1.649
1.678
1.701
1.852
1.704
1.466
1.317
1.213
1.7
1.567
1.33
1.194
1.114
1.737
1.572
1.495
1.442
2.13
2.023
1.854
1.732
1.645
u/m.s-1
表3-4旋流管与光滑管传热性能的比较（KH/KS）
0.3
0.8
1.2
1.5
1.53
1.42
1.25
1.22
2.37
2
1.71
1.39
1.41
1.4
1.38
1.37
2.17
2.1
1.98
1.86
1.73
2.11
1.6
1.43
1.34
1.88
1.67
1.3
1.21
1.36
1.24
1.18
1.81
1.66
图3-3~图3-6分别表示了不同结构尺寸旋流管管内Nu随Re的变化关系曲线，表3-5汇总了本实验部分结果与吉富英明公式计算值的比较。
表3-5旋流管实验结果与吉富英明公式计算值的比较
水速u/m.s-1
雷诺数Re
管内对流换热Nu值
吉富英明公式Nu值
偏差/%
旋流管
0.442
9651
81.28
89.84
-9.50
0.763
15078
96.93
105.95
-8.51
1.144
21657
121.66
132.82
-8.40
0.522
13549
88.58
92.58
-4.32
0.749
18716
105.15
115.42
-8.90
0.834
20628
117.20
122.83
-4.58
1.072
264408
144.21
143.86
0.24
28593
134.01
151.37
-11.40
0.430
12651
103.18
94.81
8.83
0.589
16466
112.94
116.18
-2.79
0.881
23691
135.67
148.55
-8.67
0.952
25527
143.62
156.23
-8.07
0.414
12180
91.11
88.10
3.42
0.533
14901
97.54
103.74
-6.00
16431
107.78
110.75
-2.68
0.745
20180
120.63
126.84
-4.89
0.840
22580
125.32
136.61
-8.26
0.370
13630
98.79
94.02
5.07
0.485
17338
108.35
112.05
-3.30
0.595
20778
117.27
126.55
-7.33
0.731
25226
134.41
144.18
-6.78
0.816
27800
138.93
153.91
-9.73
0.394
14479
113.81
98.57
15.46
0.536
19092
127.42
118.40
7.62
0.641
22515
142.36
131.70
8.09
0.750
25879
147.93
144.09
2.67
0.874
30023
166.94
158.59
5.27
从图3-3~图3—6中可以看出，旋流管管内对流传热系数较光
管的有较大的提高，随着Re的增大，旋流管相对光管来说其强化
效果下降，即旋流管的换热性能越来越趋近于光管。
从表3-5中可以看出，实验值与吉富英明公式的计算值符合
的很好，最大误差为15．46％．对大多数管子，当Re<
时，大部分实验数据均高于古富英明公式的计算值，特别是1—
19—2﹟旋流管（e/Di=0.0441,p/D=0.5566）其实验值较吉
富英明公式[11]的计算值平均高7％，这一点从表3-3中也可以
看出．
（2）旋流管管内强制对流换热Nu关联式
在实验研究及数据处理的基础上，对管内对流传热系数进行了
多元线性回归，对Re、e／Di、p／Di，Pr的关联结果如下
Nu=0．282Re0.5887（e／Di）0.1329（P／Di）0.325Pr0.4（3—11）
适用范围如下：
0．0291<
e／Di<
0.05；
0．4<
p／Di<
0．6；
8X106<
Re<
3.0X104。
关联结果与实验值的比较见图3—7
从图3-7中可以看出，Nu关联式计算值与Nu诗言志的偏差在±
10%以内。
3．4旋流管内阻力实验研究
3.4.1实验装置
实验管的流体阻力测量是在冷态条件下进行的，冷水来自楼顶
上的水箱，故压力十分稳定，流阻测量的实验装置如图3-8所示．
由于实验中采用的实验管属短管，故本试验中采用四氯化碳压
差计来测量实验段的压降．四氯化碳不溶于水．其密度略大干水，
这样既便于读数，又可减小人为造成的误差。
3.4.2实验数据的处理
由流体力学知，介质在管内流动的阻力系数f采用下列公式
计算，即
式中Δp-----实验管测得的流体阻力，N/m2
L--------实验管两测压点间的长度，m；
u--------按光滑圆管内径计算的水流速，m／s
Di------未制成旋流管前光滑管的内径，mm
ρ------水的密度，按实测温度、压力计算,kg/m3
为了验证实验台的准确性，首先对清洗后的光管的沿程阻力系
数进行了测试，与经典的光管布劳修斯公式
f=0.3164Re0.25
相比，实验结果最大偏差为±
6．4%，证明实验台测量数据是可靠的。
（1）阻力实验结果及分析[12~14]
对于不同的实验管，阻力系数与Re的关系曲线如图3-9～图
3-12所示。
从图3-9～图3—12中可见，在相同Re数的条件下，各
旋流管的阻力系数显著大于光管的阻力系数．此外旋流管管内流动
的一个显著特点是阻力系数随着Re数值的增加而减小，没有表现
出进入完全粗糙区，这一点与其他研究者【17】的结论是一致的．
各实骏管的阻力系数可通过最小二乘法拟合成如下的形式
f=C1Rem（3-13）
对于不同实验管可以得到不同的Cf，m值，流阻实验数据回
归计算结果如表3-6所示．
由于螺旋槽的存在，流体在流经旋流管时，一方面在凸起处发
生绕流脱体，产生涡流；
另一方面流体在近壁处沿螺旋槽产生旋
转．两者的相互作用在提高传热量的同时也造成流体新的能量损
失，使得旋流管的阻力损失比光管有较大的增加．
表3-6流阻实验数据回归计算结果
计算结果
f=0.1356Re0.0526
f=0.0978Re-0.0795
1-13-2﹟
f=0.1353Re0.0345
f=0.0383Re0.1313
f=0.3045Re-0.1024
f=0.0439Re0.1238
f=0.0278Re0.245
f=0.0225Re0.2004
（2）阻力系数关联式
在Re数值为8.0X103~3.0X104范围内，对8根旋流管的阻力系数f对Re、e/Di及p/Di进行了回归分析，所得水侧阻力系数的关联结果为
f=6.239Re0.087（e/Di）1.274（p/Di）-0.726（3-14）
使用范围如下：
0.0291＜e/Di＜0.05;
0.4＜p/Di＜0.6；
8X103＜Re＜3.0X104
式（3-14）对旋流管实验点计算值与实验结果的比较如图3-13所
示．不同Re时旋流管与光滑管流阻性能（fH／fs）的比较见表3-7．
从以上旋流管和光管阻力系数比较可以看出，在相同Re条件
下，各旋流管阻力系数显著高于光管的阻力系数．对于不同节距和
槽深的旋流管其对流体产生的影响有较大的差异．1-12—1＃管和1—
14—2＃管由于加工等方面的原因，产生的阻力较大，最大可达
13.21倍．1—16-2＃管产生的阻力最小，最小为2.709倍．对其他
表3-7不同Re是旋流挂用途光管流阻性能（fH／fs）的比较
1-12-1c﹟
5.928
6.196
11.35
12.37
13.21
1-13-2c﹟
4.907
5.311
5.836
6.132
6.719
1-14-1c﹟
3.379
3.721
4.132
4.451
4.716
1-14-2c﹟
6.374
7.584
9.697
11.543
13.215
1-16-1c﹟
3.129
4.119
5.378
5.307
5.805
1-16-2c﹟
2.709
3.195
4.313
5.335
6.292
1-19-1c﹟
3.957
4.226
4.767
5.191
5.546
1-19-2c﹟
4.038
4.388
5.103
5.681
6.174
管阻力的增加均在3～6倍之间。
l-14-l＃管与1—16—1＃管相比，节距
相同，槽深减少O.2mm，其阻力略为减小。
1-16-1＃管与1—12—2＃管
相比，槽深相同，节距增大O.5mm，由于前者的直径较大，这两
者阻力的增大却相差很大，这表明阻力系数的增大不仅取决于粗糙
物的相对增大量，而且还取决于粗植物本身的高度．换句话说，在
增加相对高度时，槽深越大的产生的阻力越大．
图3-9～图3-12的曲线关系表明，与光管相比随着Re的增加
旋流管的阻力降下降较平缓，这种现象也被许多学者【15~17】所证实，
槽深越深，阻力系数随Re的变化的曲线越平坦；
槽深较浅的管子
其阻力特性越接近于光管．
3．5旋流管管内对流换热与阻力的实验研究结
果分析
3．5．1旋流管管内强化传热机理探讨
由传热学可知，为了强化对流换热，获得大的单位热流q，必
须增大通道近壁处[离壁距离为（0．05～O．1）r0的边界层内】的
流体的脉动和紊流热扩散率ε1，这是强化对流传热的基本点。
因为
在其他流体层内，紊流热扩散率、本来就相当大．如果再增大，
不仅无必要，而且会使阻力损失大大增加，而得不偿失；
但在厚度
为（o．05～o．1）ro的边界层内的情况却不同，εl小，如果增大这
个区域内流体的ε1，则由流体质点横向脉动运动所传递的单位热流
也会越大，总热流密度也越大，传热越强烈，达到消耗较少的泵功
率来实现强化传热的目的．另外．加大流道近壁处流体的脉动运
动，其实质就是给该区域内流体补充脉动运动能量（动能）．扰动
产生大的速度梯度．释放出能量而使脉动运动能量得到补充．这个
速度梯度仍然是由流体黏度和壁面摩擦所致．当然，扰动还可以减
小边界层特别是黏性底层的厚度，以降低热阻，增强传热．
可见，为了强化对流传热，首先必须加强流体的扰动，主要是
加强近壁处流体的扰动．以增大其紊流热扩散率ε1，增强流体的混
合，减薄边界层尤其是黏性底层的厚度．使传热增强．其次必须减
薄边界厚度，沿流体流动方向，断续地阻断边界层的发展，有效利
用流动与换热初始段（进口段）具有大的传热系数这一进口效应．
近些年来，世界各国为适应节省资源和能源的时代要求，都在
设法实现热交换器的高效化，其先决条件就是要大幅度地提高传热
表面的对流传热系数．为此，人们依据上述强化传热原理，通过对
管或翅片进行各种细微的加工，以期在管子壁面或翅片上形成有规
律或无规律分布的凸起物，将管壁本身沿轴向制成波纹状（波纹
管）或螺旋凹助（螺旋槽纹管）等．显然，这些传热表面的各种形
状的凸起物，既是无源扰动的促进体．又起着断续地阻断边界层发
展的作用．旋流管正是基于以上思想研制开发的．
国内外许多寥学者【18~22】对螺旋槽纹管管内单相传热与阻力特性
进行了广泛的实验研究，并做了些定性的分析。
文献【13】提出，在较深的管子中，强化传热主要是由于螺旋
槽纹管管内流体流通截面积减小、流速增大所致，而在较浅的管子
中，传热的强化主要是因湍流促进所致．Newson在假定管内的流
体沿螺旋槽做纯旋流运动，并由此推出了计算传热系数的公式，但
计算结果与实验值有较大的偏差．GeeandWebb则将螺旋槽纹管
看成是一种特殊形式的粗糙度，将一般的粗糙度流体换热公式做一
定的修改后应用到螺旋槽纹管上。
他们两人提出了用三层理论和统
计的力法建立了螺旋槽纹管的传热与流阻数学模型，随着激光测速
和全息摄影在传热学中的应用，更有利于对螺旋槽纹管强化传热机
理的研究。
目前对螺旋槽纹管的传热机理比较一致的看法是螺旋槽
纹管产生的二次流引起的，螺旋槽纹管管内的传热强化主要有两种
流动作用产生：
一是因为螺旋槽对近壁处流体产生附加的螺旋运
动，提高了近壁处流体与管壁间的相对运动速度，减薄了传热边界
层层流底层的厚度，提高了传热速度，这种现象显著地表现在多头
且节距较长的螺旋槽纹管中；
另一种是因为螺旋槽所导致的
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