内插螺旋线圈管的强化传热试验及结构优化研究

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1、第 18 卷 第 5 期1998 年 10 月动 力 工 程 V o l. 18 N o. 5O c t. 1998 29POW ER EN G IN E ER IN G内 插 螺 旋 线 圈 管 的 强 化 传 热试 验 及 结 构 优 化 研 究姚 寿 广 周 根 明 朱 德 书(镇江 华东船舶工业学院 )摘 要介 绍 了 管 内 螺 旋 线 圈 强 化 传 热 的 实 验 研 究 情 况, 并 从 能 量 综 合 利 用 的 角 度 出 发, 用 多 目 标 数学规划方法研究了这种螺旋线圈强化传热元件结构尺寸的最优化问题 。 所得结果可为螺旋线圈管 的工程应用提供设计依据 。 图 1 表

2、 1 参 4主题词 : 强化传热 流动阻力 传热性能 结构优化 研究本方程前 言在 热 能 与 制 冷 空 调 工 程 中, 节 能 和 节 材 的 需 求 促 进 了 强 化 传 热 技 术 的 研 究 和 应 用, 工业锅炉烟管及空预器的强化传热一直是人 们关心的问题 。 在这些换热管内加插螺旋线 圈, 可 以 在 阻 力 增 加 不 大 的 情 况 下 使 传 热 得 到较大的增加 ; 同时由于其拆装方便 , 消除积 灰 等 优 点, 使 得 这 种 插 入 物 强 化 元 件 成 为 现 有锅炉改造和设计工程中最有希望的强化方 式 。 但到目前为止, 国内外还缺乏这种插入件 的系统研究

3、资料 。本文介绍了管内螺旋线圈强化传热的实 验 研 究 情 况, 并 进 一 步 从 能 量 综 合 利 用 的 角 度 出 发 , 在 全 面 考 虑 强 化 传 热 量 和 流 动 阻 力 增 加 的 基 础 上 , 用 多 目 标 数 学 规 划 方 法 研 究 了螺线圈强化传热元件结构尺寸的最优化问 题 。0 Q = r F r ( tw - tf ) (1)在 试 验 时 通 过 确 定 换 热 量 Q 、 换 热 面 积F 和 流 动 介 质 温 度 tf 等 参 数 , 并 通 过 测 量 管外 壁 温 度 算 出 管 内 壁 温 度 tw 就 可 以 按 式 ( 1)确定放热系

4、数 。 确定管内插入螺旋线圈的流动阻力特性时, 只需测出不同工况下试验段前后压差, 并 根据阻力系数的定义f = 2D p (L r r V 2 )即可确定相应的阻力特性 。对不同规格的内插螺旋线圈在不同工况 下 的 试 验 结 果 , 采 用 线 性 回 归 法 分 别 按 下 列 准则关系式整理 :(2)m 0. 4 m 1 m 2N u = C 1 r R e r P r r X r Y ( )3n n1 n2 ( )f = C 2 r R e r X r Y 4在实验中, 考虑到流体为空气 , 加上空气在 实 验 范 围 内 温 度 变 化 不 大, 故 P r 可 视 为 常数, 因

5、此式 (3) 可进一步简化为试 验 原 理 及 方 法1 C 1 r R em r X m 1 r Y m 2N u = (5)试 验 采 用 直 接 测 量 法 , 根 据 对 流 换 热 基 试 验 装 置 及 测 量 方 法试验装置如图 1 所示, 由前稳定段 、 试验21997 03 27 来 稿 , 1998 02 05 收 到 修 改 稿 。N u = 0. 0199R e0. 814f = 0. 1986R e- 0. 219它们与考虑试管修正后的经典公式 2N u = 0. 020R e0. 8f = 0. 184R e- 0. 2管段和测速段组成 。 为简化实验, 将试验管置

6、于 敞 口 水 容 器 内 加 热 并 使 水 保 持 沸 腾 状 态, 容 器 加 盖, 通 过 一 排 汽 管 使 蒸 汽 直 接 排 往 大 气, 从 而 使 管 壁 保 持 该 地 大 气 压 下 水 的 饱 和 温度形成恒壁温条件 。 试验时引风机将冷空气 从 风 机 双 纽 线 型 进 口 段 吸 入 , 流 经 前 稳 定 段, 通过整流栅形成均速稳定流, 然后进入试 验 段 被 加 热, 测 定 出 空 气 流 经 试 验 段 前 后 的温 度 tf 1 和 tf 2、 压 差 p 1 , 再 进 入 测 速 段 测 取 空气的平均流速 V , 最后经引风机排至大 气 。(6)

7、(7)在相同的雷诺数范围内的相对误差均不大 于 8% , 这 说 明 实 验 台 的 设 计 是 合 理 的, 试 验 装 置 具 有 较 高 的 准 确 度 和 可 靠 性, 试 验 数 据是可信的 。试 验 结 果 整 理针对不同结构尺寸的螺旋线圈管在不同 工 况 试 验 的 基 础 上, 对 测 量 数 据 进 行 综 合 处 理 得 到 管 内 对 流 放 热 系 数 值 和 阻 力 系 数 值, 并进一步采用多元线性回归得到试验工况范 围内的准则关系式如下 :30. 0182R e0. 879 r X 0. 357 r Y - 0. 27818. 053R e- 0. 415 r X

8、 0. 531 r Y - 0. 354N u =f =I 前 稳 定 段 试 验 段 测 速 段1风 机 2毕 托 管 3倾 斜 式 微 压 差 计 4温 度 计 5热 电 偶 6加 热 器 7风 量 调 节 阀 门图 1 试 验 装 置 系 统 图(8)试验范围 := 0. 057 0 . 08;X =Y =e D从 试 验 精 度 看 , 参 数 tf 1、 tf 2 和 V 的 测 量 S D = 0. 67 2 . 67;至关重要 , 在本次试验中管道进 、 出口空气温度均以管直径方向上取 4 点进行测量求取平 均值得到 。 管内流速则根据管内流动状态, 按 规 定 测 定 截 面

9、若 干 个 测 点 处 的 流 速 后 , 求 取平均值得到管 截 面 上 的 平 均 流 速 1 。 壁 温 的 测 量 是 通 过 在 试 验 管 外 管 壁 点 焊 铜 2康 铜 热 电偶来测量 。所 有 热 电 偶 及 测 量 仪 器 仪 表 均 经 过 标 定 。试验前不仅对试验管的传热过程进行了 热平衡校核, 即通过测量电加热功率 、 空气加 热 量 、 容 器 四 周 保 温 层 自 然 散 热 量 以 及 在 校R e = 1 104 6 104最大偏差 : 9. 4%从 试 验 结 果 看 , 采 用 螺 旋 线 圈 管 强 化 传 热 时 , 阻 力 也 明 显 上 升 ,

10、 在 试 验 范 围 内 , 传 热 增 强 120% 240% , 阻 力 系 数 增 加 达 150% 680% 。 在 相 对 节 距 (S D ) 和 相 对 高 度 (eD ) 不变 的 情 况 下, 随 着 R e 的 增 大 , 传 热 增 加幅 度 不 明 显, 而 阻 力 增 加 幅 度 较 大 。 而 在 R e相 同 时 影 响 强 化 传 热 效 率 的 主 要 因 素 是 S D 和 e D , 较大的 e D 和较小的 S D较高的强化传热效果 。能 获 得第 5 期 动 力 工 程 31m ax Q (x 1、 x 2m in P (x 1、 x 2约束条件为 :

11、x n )x n )强 化 时 的 传 热 量 和 压 力 降, 权 系 数 的 确 定 取决于设计者的希望和实际问题的要求 。 经过 上 述 处 理 , 由 式 ( 10) 和 式 ( 11) 构 成的 数 学 模 型 就 成 为 一 个 单 目 标 数 学 规 划 问 题 。 针对试验的螺旋线圈管 , 设无量纲设计变量为 x 1 = 10e D 、 x 2 = S D ; x 3 = R e10- 4 , 则 将式 (8) 与光管经典公式式 (7) 代入式 (11) 整理得(9)a i x i bi i = 1、 2, (10)n式 中 a i 和 bi 以 及 x i 分 别 表 示 设

12、 计 变 量 的 下界 、 上界和设计变量 。 由此该问题构成一个有 约束的多目标非线性数学规划问题 。实 验 表 明 , 螺 旋 线 圈 直 径 e、 螺 距 S 以 及0. 8281 x 1 0. 357 x 2 - 0. 278 x 3 0. 079雷 诺 数 R e 对 传 热 和 流 动 阻 力 有 很 大 影 响 ,故选择 e、 S 和 R e 为设计变量 。针 对 式 ( 9)、 式 ( 10) , 本 文 采 用 评 价 函 数 方 法 中 的 线 性 加 权 求 和 方 法 3 , 即 建 立 评 价函数的加权求和关联式 :m in = F (x ) = -17. 6052

13、x 1 0. 531 x 2 - 0. 35 x 3 - 0. 215 (12)+相应的约束条件根据试验范围定为0. 5 x 1 0. 80. 67 x 2 2. 671 x 3 6采用随机试验法和 Bo x 复合形法 4(13)m in (- 1 F 1 + 2 F 2 ) (11)式 中 F 1 = Q e Q 0、 F 2 = P e P 0、 1 和 2 为 权系数, 且 符 合 1 + 2 = 1, 其 中 Q e 和 P e 表 示未强化后的传热量和压力降, Q 0 和 P 0 表 示组合求解该问题得到相应优化结果示于表 1。表 1 内插螺线圈管结构尺寸优化结果从 优 化 结 果

14、看 出 , 权 系 数 的 选 择 对 优 化结 果 影 响 很 大 , 随 着 1 的 变 化 , 各 设 计 变 量 的 最优值是变化的 , 且规律不同 。 当 1 增加, 意味着传热量一项在评价函数中起的作用逐渐 增 强 , 而 流 阻 一 项 在 评 价 函 数 中 起 的 作 用 逐 渐 减 弱, 当 1 = 2 = 0. 5 时, 即 在 综 合 均 衡 考 虑 传 热 量 和 流 动 阻 力 的 情 况 下, 从 优 化 结 果 看 大 螺 线 圈 直 径 、 小 螺 距 和 较 小 雷 诺 数 是内 插 螺 旋 线 圈 管 的 最 佳 尺 寸 和 运 行 参 数 , 这 一 点

15、 从 试 验 研 究 中 也 可 看 出, 增 大 螺 旋 线 圈 直 径 e 增 加 传 热 量 , 同 时 也 增 加 流 体 流 动 阻可见, 优化结果与试验结果是一致的 , 它在一个侧面也验证了优化方法的正确性 。 同时, 优 化 结 果 也 表 明 权 系 数 的 选 择 很 重 要 , 在 使 用中必须慎重考虑权系数的选择使其适合工程实际的要求 。结 语本文对内插螺旋线圈管的强化性能及结 构优化问题进行较为详细的实验研究和理论 分 析 , 给 出 了 试 验 范 围 内 这 种 强 化 传 热 元 件 的综合传热及阻力实验关联式及结构尺寸优 化 结 果 , 为 内 插 螺 旋 线 圈 管 的 工 程 应 用 提 供 了设计依据 。 此外, 相应的优化分析方法对其 它 强 化 传 热 元 件 的 分 析 、 设 计 和 使 用 也 提 供 了一种可借鉴的方法 。(下转第 72 页 )5力, 螺 距 S 增 加 使 传 热 量 减 小, 阻 力 也 减 小,但传热量减小幅度比阻力减小幅度大 。 这样就 要 求 较 小 的 螺 距, 雷 诺 数 增 加 使 传 热 量 增 幅 很 小 却 使 阻 力 增 加 较 大, 为 有 较 大 传 热 量 和较小的流阻, 使雷诺数取较小值合适 。