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1、中国工程热物理学会 学术会议论文 传热传质学 编号：0 7 3 0 9 9 方管核心流区域添加内插物强化传热的 实验研究枣 郑兆清杨臣杨昆赖凤麟吴国强刘伟 华中科技大学能源与动力工程学院 T e l ：0 2 7 8 7 5 4 2 6 1 8 E m a i l ：办e n g 出a o q i n g 1 2 6 c o m 搞要：对方管核心流区域添加内插物强化对流传热进行了实验研究，对传热与阻力特性和H C 值进行 了实验分析，实验结果表明：方管内的换热平均强化了2 2 倍，P E C 值为1 0 6 1 8 之间。此外，实验 表明，在层流和湍流情况下P E C 均大于l ，但层流状态下
2、效果更加显著。 关键词：方管，核心流，强化传热，流动阻力，P E c 1 引言 研究表明，对流体流过平板的层流或湍流进行强化传热的一个简单方式就是提高流 体速度，从而使流动边界层和热边界层变薄，壁面附近的流体温度梯度增大。然而，当 层流流体流过圆管和方形通道时，在充分发展区，整个流动空间内并不存在边界层，温 度梯度和速度梯度在整个通道截面均显著变化，这一点不同于受限空间的入口段，也不 同于外掠无限大平板的流动。在受限空间内的充分发展区，现有的在边界上添加扩展表 面、扰流等方式【卜4 】都能使壁面附近的流体温度梯度增大，但阻力也相应大大增大。若 在受限空间的核心区添加扰流物，促使核心区的流体温度
3、趋于均匀，同时扰流物所占空 间比较小，不足以产生较大的阻力，则可以实现传热强化的同时阻力增加不大，从而提 高换热设备的性能。 M o h a J I l a d 等1 5 】研究了在圆管内核心区填充孔隙率较高的多孔介质，并对其充分发展 段的传热特性和阻力特性进行了数值模拟研究，研究结果表明：换热得到了明显的强化 而流动阻力增大并不显著。之后，Pa _ v e l 掣6 l 对圆管内部分填充和完全填充多孔介质的换 热器的换热特性和流动阻力进行了实验研究，结果表明：部分填充多孔介质的换热器的 性能较完全填充了多孔介质的换热器的要好。w a l l g 等【7 J 等研究了在矩形通道内层流充 分发展
4、段的流体核心区添加插入物的传热特性和流动阻力数值模拟和实验研究。本文考 虑在受限空间充分发展段核心区添加插入物，对其传热和阻力特性进行实验研究。 2 实验系统 2 1 系统构成 实验系统的建设如图1 所示。主要有水箱、水量调节阀、泵、涡轮流量计以下几部 分组成。( 1 ) 进口稳定段：为了使流体流速在进入试验段之前更加均匀稳定，使流动得 到充分发展，在试验段之前设置1 5 m 长的进口稳定段。如图3 所示为方管时的入口段。 + 困家重点綦础研究发展计划资助项日( N o 2 0 0 7 C B 2 0 6 9 0 1 ) 1 5 5 ( 2 ) 实验段长为5 0 0 l n m 的不锈钢管，方
5、管为2 0 I I l m 2 0 m m ，壁厚为2 m m ，圆管外径为 4 圪O 姗，壁厚为2 咖。实验段通过法兰与入口稳定段、出口稳定段相连，并用橡胶垫 圈密封。实验段是系统的加热段，在其壁面等距布置7 9 对热电偶，测量钢管壁温，热 电偶的布置方式后面还要叙述到。在钢管外壁依次布置加热层和绝缘保温层。加热方案 包括加热板以及加热丝两种方案，后面将要叙述到。而绝缘保温层使用石棉，并用箔纸 覆盖，减少辐射影响。( 3 ) 出口段：。为了测量方便，在实验段尾部设计一段长为3 0 0m m 的出口段。流体通过出口稳定段流出系统，排入地下水道中。( 们插入物：为单根长径 比较大的圆形细杆，相互
6、交叉成“十”字形状，布置在管内流动的核心流中心截面。细杆 间距为5 n H n ，长径比l 扣1 8 。细杆端部并不与管壁接触，但由于安装中的误差，可能会 有几根与壁面接触的情况。 l _ 水箱2 、4 、9 一阿门壕5 流量计6 前段光管7 L 试验段8 后段光管 图1 实验装置示意图 一9 一轳l 溢流板l 图2 水箱设计示意图 2 2 实验水系统 在实验中，为了防止管道出口水温对实验的影响，将水系统设计为一个开路系统。 管内的水来自于恒位水箱，水箱内设置一隔板，在左边较小容积水箱内设置筛网，保持 溢流状态以保持流态稳定，减少扰动。水经由泵泵送到管道内流动，最后由出口段后接 的皮管排入地下
7、水道中。由于实验所需流体流量不大，因此，在泵装置后开设一可调节 旁路，用于分流。 由 雩固曩。 口固睁嘲麟二。 图3 方管试验段 1 5 6 水流量的控制系统由泵和变频器组成。在主回路上，通过流量计显示流体流量的变 化，通过变频器来实现流体流量的改变。实验中，| 为了精确测量流体流量，在实验前先 用称重法对流量计进行校核。 3 实验结果及分析 3 1 管内对流换热特性 ( 1 ) 壁面温度分析 j D 1 3 5 J ，2 5 2 丑 ”5 1 D 舶l 枷珊瑚3 柚 枷 棚铷O 柏 I l 蛐瑚捌3 越柚棚姗 x I 图4 k 为1 2 0 0 时的壁面温度允布图5 R c 为5 0 0 0
8、 时的壁面温度分布 图4 5 分别为层流( R e = 1 2 0 0 ) 和紊流限e = 5 0 0 0 ) 情况下光管与有细杆插入的方管( 称 为强化管) 实验段沿流向( x 方向) 壁面温度分布图。由图可见，强化管壁面温度明显 要比光管时低。这表明在管内插入细杆后，增强了管内对流换热。这是由于流体流过细 杆后，流体的核心区域湍流强度加大，使得核心流的温度分布比光管更加均匀，增强了 流体与壁面的换热，这就造成了边界层区域的温度梯度增大，从而使温度下降。分析这 两个图，可以看出壁面温差在层流状况下要高于湍流情况。 ( 2 ) 管内雷诺数与努塞尔数N u 关系 图6 示出了光管和强化管的管内努
9、塞尔数N u 与雷诺数R e 的关系。由图可见，在 相同的操作条件下，强化管的N u 数与光管的变化趋势一致，但在管内布置圆形细杆可 以大大提高换热能力，随着雷诺数的增大，强化管的N u 数增大的程度要比光管时来得 大。当雷诺数为1 2 0 0 时，强化管的N u 数大约为相同雷诺数下光管的4 倍；当雷诺数为 1 9 0 0 时，强化管的N u 数大约为光管的2 5 倍。而在雷诺数R e _ 4 5 0 0 时，强化管的努塞 尔数为光管的1 。9 倍。由以上数据可见，不管是在层流还是湍流，换热均得到了显著的 增强，但在层流时，换热效果比湍流情况更加明显。 这是由于在光管内，速度、温度均呈抛物线
10、形状分布；而管内布置细杆后，使得管 内核心区域，流体的速度变化明显，一方面使流体的速度梯度在壁面边界上明显增大， 高于光管内壁面附近的速度梯度，另一方面使核心区域的温度更加均匀1 7 】，变化平缓， 而在壁面边界上流体的温度梯度显著增大，从而使换热得到显著的强化， 同时，在雷诺数比较小的时候，光滑管管内的湍动程度小，管内对流换热系数就低。 而在强化管管内由于管内圆形细杆的作用，在低雷诺数时( 层流范围内) ，就可加剧管内 流体的湍动，使管内流动的核心区域温度更加均匀，管内对流换热系数得到增加。到了 1 5 7 t ，t 高雷诺数区域，即使光滑管的湍流程度也比较尉醛蕾核心流温凌分布较为均匀，管内
11、圆 r 形细杆的扰流作用有所减弱。所以湍流情况下换热增强幅度较层流肘低一些。 1 0 0 02 嘲3 0 0 0O勒0 O R e 图6 雷诺数R c 对努塞尔数N u 的影响 2 2 2 j 2 _ J ” 与 J ，j 1D O j O O J 5 O 5 2 S 3 5 O O OS 5 R e 图7 雷诺数R e 对管内进出口温差t 的影响 另外，。从管内进出口温差也可判断管子的强化换热情况。如图7 所示，所有管子管 卤水的进出口温差随着雷诺数的增加而减小，强化管的进出口温差均比光滑管高，但随 着雷诺数增大，在湍流时不太明显。 这是由于，随着雷诺数增加，管内水速也在增加，管内对流换热系
12、数增加，管内冷 却水流量也在增加，由公式g = M 0 r 和公式g = c p 肌乞知，管内对流换热系数增加 没有管内水流量增加快，而其它量变化很小，所以水进出口温差乙随着雷诺数增加而 减小。另一方面，由于加热功率不太大，所以在湍流情况增加幅度不太大。强化管由于 其换热得到加强，所以在相同雷诺数情况下，管内换热系数h 比光滑管的增加的多，而 冷却水流量几乎相同，所以，强化管管内水进出口温度要比光滑管的高。 3 2 方管内传热与阻力性能综合评价 以上研究了在方管内插入交叉排列圆形细杆的传热性能，并与光滑管进行了比较。 对实验的传热与阻力性能的评价准则采用如下形式： 雎c ：竺业巢 ( 1 )
13、U ”汴 如图8 所示，为方管在加热功率Q = 2 5 0 w 时的P E c 值分布图。可以看出，随着雷 诺数R e 的增加，性能评价准则P E C 值得变化趋于平稳，但在整个实验雷诺数范围内， P E C 值均大于l ，表明换热得到极大地增强，同时带来的阻力增加并不大，综合性能好。 在层流及部分过渡区范围内，实验P E C 值超过1 2 。当雷诺数R e = 1 1 0 0 时，P E C = 1 8 。 随着雷诺数R e 的增加，进入湍流范围后，实验P E C 值落在l 附近。当雷诺数R e = 5 0 0 0 时，P E C = 1 0 6 。这表明，核心流区域传热强化在层流范围内，效
14、果非常明显，而在部 分过渡流及湍流情况卜效果稍微减弱，但P E c 值仍然人于1 。 15 8 伪 m 柏 ；z 4 结论 ， 1 j 釜， J O J OO3 O O 5 0 R e 图8 传热与性能评价指标P E C 数随雷诺数R 摹变化关系 通过在受限空间的流体充分发展段中心截面区域布置若干尺寸较小的长细杆，可以 影响流体的流场和温度场：造成一个温度比较均匀、速度变化较为明显的核心区域，同 时在换热壁面附近造成一个温度和速度变化均比较显著的边界层区域。实验表明，在层 流和湍流情况下P E C 均大于，1 ，但层流状态下效果更加显著。本文提出的提高换热管性 能的方法为强化传热方法的实际应用
15、提供参考。 参考文献： 【1 】B e 曙l e sA E ，E x 可矗”f o u n l lg 锄e r a t i o n h e a tt 啪s 断t e c h n o J o 酗E x p 翻m 曲纽ln 锄a l 卸dF 1 u i d S c i e n c e ，2 0 0 2 ，2 6 ：3 3 5 3 4 4 【2 】孟继安，陈泽敬，李志信，过增元，交叉缩放椭圆管换热与流阻实验研究及分析，工程热物理学报， 2 0 0 4 ，2 5 ( 5 ) ：8 1 3 8 1 5 r 【3 】V 色n t i s i s l a VZ E n h a n c e m e n to
16、fh e a tt r a n s f e rb yac o m b i n a t i o no fas i n g l e S t a r ts p i r a l l yc o r n l g a t e dt u b e s w j l hat w i s t e dt a p e E x p e r j m 朗t a l1 1 1 e 瑚a j 粕dF l u i dS c i e n c e 2 0 0 2 ，2 5 ：5 3 5 5 4 6 【4 】R 萄e n d r aK ，M a l l e s h w a r i bB K ，N i t i nK E x p e r i m e n t a ls t u d yo fh e a tt r 锄s f e re n h 鲫
