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1、中困T 程热物理学会传热传质学 学术会议论文编弓：0 6 3 0 3 7 水平窄环隙流道强迫对流换热实验研究 李建华1 ，孙中宁7 ，陈晓华1 ( 1 、中嗣船舶匿T 集团第七一一 】f 究所，I ：海2 0 0 0 1 1 ： 2 、晗尔滨下程人学核科学与投术学院黑龙江喻尔滨1 5 0 0 0 1 ) 联系电话：0 2 卜6 3 1 3 5 1 9 5 - 2 5 0 E - m a i l ：1 i j i a n h u a 2 0 0 8 s i n a c o m 摘 要：对宽度小H 的p q 种水窄环隙流道进行丫强迫对流换热实验研究。结果表f 叭住较低雷 诺数区，入u 水温、环隙宽
2、度对流道内换热影响叨j L l ! ，1 盯在商雷诺数区影响微小；j 普通流道相比， 水l 窄环隙流道对换热起强化、恶化双重作用，n ：实验区问内换热分为三个区域：换热恶化区 ( R e 3 0 0 0 ) ；l 川时将实验结果j 传统分离系数方法 所得结果进行比较。 关键词：窄环隙流道；强化换热；实验关联式 引言 由于窄细流道在高新技术领域有着广泛的应用前景，目前国内外越米越多的学者展 开相关的流动与传热特性研究。就窄环隙流道而言，研究多以沸腾换热为主，单相流体 对流换热研究较少。刘瑞兰等进行了水在宽度为l m m 的环隙缝隙内强迫流动时对流换 热实验。结果发现，流态由层流区过度到紊流区提前
3、，窄环隙对单相对流换热确有强化 作用。文献拉 3 1 对竖直环隙流道内强迫对流换热进行实验研究，发现环隙宽度对换热有 强化和抑制双重作用。本文对四种不同宽度的水平窄环隙流道在较宽的雷诺数范围内进 行了强迫对流换热实验研究：并将实验结果与传统分离系数方法所得结果进行比较。 1 实验装置及实验段 实验装置由冷水和热水两个回路组 成如图l 所示。热水同路中，水首先在电 加热水箱中被加热剑预定温度，然后由热 水泵唧入实验段，从芯管内流过，加热环 隙内的冷却水，再返回电加热水箱。冷却 水同路小流量时由压头恒定的冷水箱供 水流餐不足时直接由冷水泵供水进入实 验段环形流道，经换热后排入地沟。为防 I 卜人流
4、越时由r 压力不稳而对管内水流 稳定产生不利影响，冷、热水入口处均 装乍j 稳压罐。冷、热水州路】：I ；入几及水箱 温度由铜一康锕热电偶扣1 4 得；冷却水流鼙 山称重法测H t l i ，热水流量由流锚汁洲量。 9 7 幽1 实验袈置流程幽 l 令水硝；2 、4 、5 、6 、7 、1 2 热l 乜髑：3 , 1 t , 9 1J 热水箝： 、1 4 未烁罐；9 热水泉；l j 、1 3 涡轮 流量计；1 l 实验段：1 5 冷水泉：1 6 ；分却水池 实验段( 如图2 所示) 外管为紫铜管，芯管为B 3 0 管，其结构尺寸如表一所示。为 减小实验件散热，采用保温隔热性能良好的尼龙材料(
5、旯= 0 2 5 w m 足) 做外管与芯管连 接装置，实验件外包裹橡塑发泡管( 绝热材料五o 0 3 4 w m I | ) 。芯管外蛾面等间距的七 个截面上下对称焊有1 4 个镍铬一镍硅热电偶，以便准确采集外艟面温皮信号，其中镍铬 一镍砖热电偶和铜一康铜热电偶住实验前均经过专l J 标定。所有肇而温度数据通过I M P 分 散式数据采集系统输入P C 机，采川专| J 编制的软什对数据进行采集、显示、存贮并对 实验过程实时监控。 叫幽瞄 热水壁纠邕熊 帑争嘲R 号幅 她蠢“锄抖 _ 一姗片一内髑魄| 明 图2 实验元件剖面图 表一外管、芯管结构J 迂寸 内经外经环隙宽钶效换 d 。( 咖)
6、 d 。( m m )度热艮度 艿( m i l l )L ( m m ) l # 管 2 0 9 02 3 7 42 4 51 5 6 5 2 荨管 2 0 0 0 2 2 8 62 O O1 5 6 1 3 # 管 1 9 0 02 2 O O1 5 01 5 7 1 4 管 1 7 8 52 0 5 0 0 9 2 5 1 5 6 7 芯管1 3 9 01 6 O O 2 实验数据整理方法 由于本实验可以精确测量芯管外鼙温，所以可以直接求解环隙内换热系数，即： 口。：卫 ( 1 ) 2 F o ( t o L - t m ) ( 1 ) Q 为冷却水回路换热量；F o 为有效换热面积；t
7、 o 为外壁平均温度，乙为冷却水定 性温度。从而可以得到换隙内侧的努谓 特数。 。= 警 ( 2 ) d 。为环隙当量直径，九为芯管导热系数。 分离系数法是处理微细流道换热数据时较多采用的一种方法。该方法可省略壁温测 量这一环节，人人简化实验条什，但由于是间接处理方法，结果可能会与真实值之间存 在误著。本实验中，笔者也采片J 该方法处理实验数据，以期与实验值做一比较，分离方 法具体步骤如卜： 首允利H j 传热方程得到整体传热系数k ： 丘= 面O ( 3 ) 其中，考虑计算过程中传热温第一敛性问题H 1 ，A t 。2 - I t 4 f * * 平均濉麓。然后利川D i t t u s -
8、 - B o e l t e r 公式和努谢尔特数定义式可求出芯管内换热系数： 9 8 删脱3 ( 争0 8 。4 住此基础上按下式分离环隙侧换热系数： ! ：上生一生l n 生+ 上 一一o 。_ 一l l l 一十。一 k a fd i2 , 1 。d ia 。 舰。：掣。 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 其中口。为环隙侧换热系数，d j 、d 。为芯管内、外直径，五。为管壁导热系数。d 。为环 P 胁J j - 业- - 1 上工_ 单竹l ：q 1 钗? r ：，五。为芯管导热系数。 3 实验结果及分析 图3 、图4 为l 撑实验管在热水进口温度为6 0 “ C 时实验数据处理结果
9、与预计值比较 曲线图，预计值由文献5 1 中经验公式计算得出，具体形式如下： 层流区：环隙空间对流换热的N u 为定值，根据内外经值比( d J d o ) 可直接得到。 条件：一侧壁面绝热，另一侧壁面等温。 紊流区：采用实验范围更，“的格尼林斯基( G n i e l i n s k i ) 公式 N u ：= 0 0 1 2 ( R e r 。 7 - 2 8 啪r ，0 4 副3 斟 该公式验证范围为 3 0 0 0 ) M 逐渐趋予相同值。 ， 通过实验数据分析发现：在低R e 数区( R e 1 0 0 0 ) ，与换隙宽度成正比关系， 即：舰= k d 。，在相同R e 数下，环系
10、宽度越小，肌数值也随之降低：而高R e 数区 不存在改种情况，N u 与以无关。 综合由加热温度不同引起的运动粘度变化以及环隙宽度不同这两个影响因素，在进 行窄环隙流道对流换热实验关联式拟和时，引入参数( 吒，1 ，) “和参数( 州D ) 6 对公式进 行修正。在低R e 数区( R e 1 0 0 0 ) 曲线变化较为复杂，规律性不强，不能给出具体的某一统 一公式，而是采取如下形式： N u = c R e “ P r - 3 ( 考- ) 4 c 争 其中：c 和“ ，根据d D 而定，当d D o 8 时，c = o 1 5 ，m = 1 2 ；当d D 值属丁0 8 0 9 之问时，
11、c = o 0 9 ，m = 1 3 ；当d D 0 、9 时，c = O 0 4 ，埘= 1 4 。图9 为实验值与拟和公 式曲线比较，拟和公式误差范罔最人不超过2 0 。 图1 0 为实验值与分离系数法得出得J “值比较，可以否出在低R e 数区( 小丁1 0 0 0 ) 两值符合较好，随R e 数增人，芹值逐渐增人( 分离系数法值偏小) ，最人偏差为实验值 的3 4 。冈此，系数分离方法祚：处理窄环隙流道内高R e 数区对流换热时，将会，- 生较 人误著，必须进行修J e 1 0 1 4 结论 图9 低、高R e 数区l # 管实验值j 拟合公式曲线比较 ( 1 ) 水平窄环隙流道对对流
12、换热起 强化、恶化双重做用，在实验范围内分为 三个区域：换热恶化区( R e 3 0 0 0 ) ： ( 2 ) 加热温度、环隙宽度对水平窄 环隙流道内对流换热的影响在较低R e 数 区( R e 3 0 0 0 ) 影响微小； ( 3 ) 分离系数法处理数据时，在高 R e 数区存在较大误差，必须进行修正。 R e 图1 0 测壁温法与分离系数法比较 参考文献： 1 R u i1 a nL I U ，G u a n gS U E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ns i n g l e - p h a s ec o n v e
13、c t i o nh e a tt r a n s f e r - i na n n u l a rg a p C X i ，a n ：1 4 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mM u l t i p h a s eF l o w a n d H e a t T r a n s f e r ，1 9 9 9 2 孙立成，阎吕珙，孙中宁窄环隙内单相对流换热的实验研究核科学与工程，2 0 0 2 ，2 2 ( 3 ) ： 2 3 5 2 3 9 页 3 孙中宁，阎吕琪，谈和、| ，等窄环隙流道强迫对流换热实验研究核动力工程，2 0 0 3 ，2 4 ( 4 ) ： 2 5 0 一2 5 3 页 ， 4 孙中宁，彭敏俊，杜汴。黄渭常换热器热T 计算中传热温差计算方法的一敛性问题，核动力T 程，1 9 9 7 ，1 8 ( 4 ) ：3 2 5 3 3 l 负 5 扬世铭，陶义铃传热学高等教育出版社( 第三版)1 9 9 8 1 0 2
