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两类边界条件下管外对流换热性能实验研究
高胜利,马 宁,张胜刚,李 俊
(华能平凉发电公司,甘肃平凉744000)
摘要：采用实验研究的方法,分别对针翅管、平直翅片管和光管在同一风洞实验台上进行实验。采用管 内电加热法模拟第二类边界条件,管内流体加热,管外空气横掠模拟第三类边界条件,实验的管外雷诺 数范围为Re=5000~35000。实验结果表明:光管在第三类边界条件下的Nu是第二类边界条件下的 1·048倍,翅片管在第三类边界条件下的Nu是第二类边界条件下的1·073倍,针翅管第三类边界条件下 的Nu是第二类边界条件下的1·1倍,且这个比例关系与Re的变化无关。
关键词：边界条件;换热器;实验研究
中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1004-7948(2009)04-0021-03
引言
换热器作为工艺过程必不可少的单元设备广泛 地应用于石油、化工、动力、冶金、制冷、空调等国民 经济许多领域。
由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而 面临着能源短缺的局面,各国都致力于新能源的开 发,并积极开展预热回收及节能工作,因而换热器的 应用又与能源的开发及节约有着密切的联系,其性 能的好坏也直接影响到能源利用的效率。
在实验室中对换热器研究的方法有很多种,其中有以采用直接电加热法模拟恒热流边界条件较为普遍,就是管内部通电流加热,外部空气横掠,这种方法是基于把整个换热器看成等热流密度考虑的, 但实际的情况并非是等热流密度,管内的热流体经 过换热器时温度要发生变化,热流密度也发生变化, 电加热法必定与实际的换热情况存在误差,研究在两种边界条件下换热性能的关系,对换热器的开发具有重要的工程意义。
本文对三种换热器在不同边界条件下的传热性 能进行实验研究(光管、平直翅片管和整体针翅 管)。通过实验研究获得几种换热管在两种边界条 件下的换热性能差异。
1.实验方法介绍
实验在吸风式风洞上进行,第三类边界条件下 的实验装置如图1所示。空气由吸风口吸入,经整 流段、收缩段及稳定段进入试验元件,试验元件的矩 形截面为450mm×450mm,被加热的空气经稳定段 及方圆收缩段后经风量调节挡板通向风机而排至大 气。实验中所需的热水是由自来水和来自锅炉房的高温蒸汽混合得到的,蒸汽凝结放出大量的热量,加 热水箱内的水温达到饱和温度,水箱外包有保温材 料以减少散热,热水在换热器内冷却放热,连接管道 外层裹有硅酸铝保温材料。
实验管参数如表1所示,在管内流量不变的情 况下,每种实验管进行11个工况的实验,即风速 6m/s、8m/s、10m/s、12 m/s、14m/s、16m/s、18m/s、 20m/s、22m/s、24m/s、26m/s。每种工况持续足够长 时间待稳定后开始测量,然后改变管内热水的流量, 重复上述风速工况。
管壁的温度和水的进出口温度由标定过的直径 为0·3mm的K型镍铬镍硅热电偶测量,通过数据采 集系统实时在计算机上显示出来;空气温度由安装 在实验段前的分度为0·1℃的玻璃水银温度计测 量;水的流量用流量计测得。
空气流速v由标定过的毕托管及YYT-2000 倾斜式微压计测量的数据计算求得,即:
式中:Δp—实测到的平均动压头,mmH2O;ρ— 空气的密度, kg/m3; g—重力加速度。
第二类边界条件下的实验与第三类边界条件下 的实验在同一风洞上进行,实验装置系统图和加热 方式略有不同,具体实验方法如图2所示。
对每个试件依次进行11个工况的实验,首先打开风机调节为第一个工况的风速,调节电压使其加热达到预定值,待每个工况达到稳定后开始测量,一般第一个工况的稳定时间为1h左右,以后每个工况的加热时间不小于30min。
实验电流和电压用1台D26-A安培表和1台D26-V伏特表进行测量。空气的流速、空气温度、管壁温度与第三类边界条件下的测量方法相同。
2 数据处理
考虑到热损失,应用式(2)计算出对流换热量:
第二类边界条件实验中,考虑到加热棒的辐射损失和两端的导热损失,对流换热热量由式(4)计 算:
Q=0·9UI(4)
3.实验结果与分析
从图3、图4和图5可以看出,在Re=5000~ 35000范围内,光管第三类边界条件下的Nu是第二 类边界条件下的1·048倍,针翅管第三类边界条件 下的Nu是第二类边界条件下的1·1倍,翅片管第 三类边界条件下的Nu是第二类边界条件下的 1·073倍,两者的差值随雷诺数的增大有所增加,但 比例关系与雷诺数的变化无关。
图6是管外风速10m/s时三种实验管的管壁温 度分布,表明光管沿轴向温差最小,平直翅片管次 之,针翅管的轴向温差最大,这也恰好说明了针翅管 在两类边界条件下的差异比光管大的原因。
4.结论
通过实验方法,求得整体针翅管、平直翅片管管 和光管在两类边界条件下的管外对流换热系数h和 努谢尔数Nu,并拟合出了Nu-Re曲线,实验结果表 明:
(1)光管实验证明该实验系统准确可靠,误差 在允许的范围之内,光管在第三类边界条件下的Nu 是第二类边界条件下的1·048倍,整体针翅管第三 类边界条件下的努谢尔数Nu是第二类边界条件下 的1·1倍,平直翅片管第三类边界条件下的努谢尔 数Nu是第二类边界条件下的1·073倍。两者的比 例关系与雷诺数的变化无关。
(2)在第二类边界条件下,整体针翅管在整个 实验流速范围内都比平直翅片管、光管有更强的换 热性能,整体针翅管的管外努谢尔数为400~800, 与相同条件下的光管相比,换热性能提高了7~8 倍。与相同工况下的平直翅片管相比,换热性能提 高了1·75倍。
(3)对于三种类型的换热器,第三类边界条件 下的换热性能略高于第二类边界条件下,这个趋势 随着换热器自身换热性能的增强有所增加。这是由 于第三类边界条件下存在轴向导热的缘故,第二类 边界条件下轴向导热基本可以忽略。从实验管壁温 度分布来看,光管沿轴向温差最小,平直翅片管次 之,针翅管的轴向温差最大,这也恰好说明了针翅管 在两类边界条件下的差异比光管大的原因。另一方 面还需对引起这种差异的内部机理进行数值研究。
参考文献
[1]丁铭,阎昌琪,缪红建,等.整体针翅管强化传热实验研 究[J].核动力工程, 2005, 26(5): 452-455.
[2]刘雪玲,李宁,胡亚才.开槽螺旋翅片管换热器传热与流 阻性能研究[J].石油化工设备, 2004, 33(2): 1-3.
[3]康海军,李斌,李惠珍,等.平直翅片管换热器传热与阻 力特性的实验研究[ J].西安交通大学学报, 1994, 20 (1): 92-98.
[4]吴伟栋,王厚华,廖光亚,等.空气横掠叉排三维外肋管 束换热及流阻特性的实验研究[J].重庆建筑大学学报, 2002, 24(3): 53-57.
[5]B.A.奥西波娃[苏].蒋章焰,等译.传热学实验研究 [M].北京:高等教育出版社, 1982.
作者简介:高胜利(1981-)男,甘肃平凉人,硕士,助理工程 师,从事电厂节能及自动控制工作。
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