摘要：通過實驗的方法研究了一種新型內翅式氮氣換熱器的對流換熱和阻力特性,建立了所測Ｒｅ范圍內對流換熱和阻力實驗關聯式,并且在相同質量流量、相同泵功率、相同阻力降的條件下比較了該翅片管與普通光管之間的傳熱效果.與類似的波紋管的換熱效果進行了比較,結果表明,新型內翅式氮氣換熱器具有較好的換熱效果,特別是在較低Ｒｅ條件下,效果更加明顯.
　　關鍵詞：氮氣換熱器;強化傳熱;Ｒｅ;阻力特性
　　中圖分類號：ＴＫ124　　　　　文獻標識碼:Ａ　　　　　文章編號:1672-0946(2006)01-0115-03
　　對流換熱及其強化傳熱一直是人們研究的重要課題[1].強化傳熱研究在化工系統制冷空調工程及食品工程中具有重要的實際意義.石化和化工系統中存在大量的處理氣體換熱的工況,由于氣體換熱效率低,導致換熱器體積過于龐大,從而大大增加了企業負擔,也嚴重制約著大處理量工況時設備一體化的要求,因此,石化和化工系統中研究強化傳熱,可以大大減小設備體積,具有重要的理論和實際意義.本文研究了一種波紋形內翅片高效換熱管,具有較大的翅化比,較高的翅片效率,整個換熱管具有良好的換熱效果.
　　1　實驗系統
　　整個實驗系統由空氣壓縮機、混合入口段、實驗段、較核段及水系統和數據采集系統組成,如圖1所示.實驗中,為了在不同壓力進行實驗,用空氣壓縮機來取代風機作為空氣動力源,通過混合箱消除由于壓縮機排氣對氣體流速產生的脈動影響,通過調節旁通閥來改變進入翅片管的空氣流量.翅片管入口段采用維多辛斯基曲線喇叭口,空氣經過這種漸縮入口以后速度分布接近均勻.實驗時,在管子軸向15個截面上分別布置熱電偶,每個截面沿周向布置3個熱電偶.在實驗段后設置一個套管換熱器,也采用波紋內翅片換熱管,通過對套管換熱器數據的處理,來較核實驗管測定數據的可信度(二者給熱系數偏差大于10%被視為不可信).
　　傳熱實驗采用恒熱流密度的做法,實驗采用電阻絲作為加熱元件,將電阻絲均勻地纏繞在翅片管上,為了盡可能地減少散熱損失,加熱電阻絲外包裹石棉和海綿,實驗加熱兩端均裝有絕熱良好的絕緣木來減少軸端熱損失,在出口處加設輔助微調加熱器來補償出口端導熱損失.
                      
　　2　數據處理方法
　　通過調節電阻絲電流大小,控制實驗滿足中等以下溫差范圍條件,空氣定性溫度取進出口平均溫度,即ｔｍ=(ｔｍ+ｔｏｕｔ) 2.熱平衡由電阻絲的加熱功率Ｗ與空氣的吸熱量Ｑ比較而得.實驗中熱平衡相對誤差一般小于5%,最大熱平衡偏差小于9%.熱平衡偏差定義為：
              
　　由于實驗銅管管壁很薄,熱電偶采用錫焊焊接,銅和錫的導熱系數都很大,因此可以認為用熱電偶測得的溫度近似代表管內壁溫度.實驗表明,同一個截面上的三個熱電偶測得的溫度相差很小,相差一般小于0.5℃,內翅片管內壁面溫度ｔｗ(ｘ)取同一個截面上三個熱電偶的算術平均數.在恒熱流密度加熱條件下,流體主流方向平均溫度必定沿流向呈線性變化,故其局部點主流溫度采用如下計算式：
              
　　由于恒熱流密度時,在充分發展區內軸向溫度梯度呈現為恒定值,也就是說,其局部給熱系數亦應為定值.因此充分發展段平均對流換熱系數可以通過各局部換熱系數的平均值給出,充分發展段對流換熱系數和Ｎｕｓｓｅｌｔ數定義為
             
　　3　實驗結果及討論
　　3.1　對流換熱和流動阻力的實驗關聯式
　　充分發展段的對流換熱和阻力的整體特性可以用關聯式來反映,根據最小二乘原理,對實驗數據擬合得到如下形式實驗關聯式:
              
　　3.2　傳熱性能比較準則
　　文獻[3]中廣泛采用的傳熱性能比較準則有相同質量流量、相同泵功率、相同壓降三種比較準則.根據文獻[4]的建議,在常物性條件下,進行推導可得如下限定關系式
               
    在上述三種準則下,圖2、3、4分別表示在相同質量流量、相同泵功率、相同阻力降的條件下兩種內翅片管在換熱面積基本相同(翅片管的外管與普通光管內徑相同)時分別與普通光管的換熱效果比較.從圖2、3、4可以看出,新型波紋形內翅片換熱管具有良好的強化換熱效果,特別是在較低Ｒｅ時,其強化效果十分明顯,但是隨著Ｒｅ的增加,強化倍數迅速降低;比較管換熱效果隨Ｒｅ變化相對比較平緩.波紋形內翅片換熱管和比較管都在相同質量流量比較準則下具有最大的強化效果,相同壓降時強化效果最差,甚至在Ｒｅ增大到一定時,不再具有強化作用,這主要是由于在管內加翅片后,換熱管阻力降增大的緣故,特別是在高Ｒｅ時,翅片管阻力系數較之普通光管增加明顯,這樣,在相同阻力降時,其強化作用就顯現不出來了.總體來說,不管哪種比較準則下,新型波紋形內翅片換熱管都具有比比較管更好的強化效果.這主要是由于二者不同的翅片結構引起的.
    雖然新型波紋形內翅片換熱管和比較管的翅片都是彎曲成波紋性的,但是比較管內外管之間的流通空間被分為4個大小不一的流道,靠近外管的兩個流道離翅根較近,有較小的導熱距離,具有良好的換熱效果,而靠近內管的兩個流道有很大的導熱距離,導致換熱效果下降,同時又由于四個通道分別被隔絕,流體不能相互流通,使得流體對流不暢,因此總體換熱效果下降.而新型波紋形內翅片換熱管流體通道成長扁性,并且只在圓周方向上形成2個大小相近的小流道,雖然靠近內管的導熱距離也很大,但是由于流體能很好的流通,在圖2兩種翅片管換熱效果的比較每個通道內對流和導熱充分結合,所以具有了良好的強化換熱效果.
                  
                      
    4　結　論
    本文研究了波紋內翅片管的對流換熱及流動阻力特性,得到了Ｎｕｓｓｅｌｔ數、Ｄａｒｃｙ阻力系數ｆ隨Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數變化的實驗關聯式,并將該新型波紋內翅片換熱管與類似波紋管進行了比較.結果發現,新型波紋內翅片換熱管在相應的準則方程式控制下,相同傳熱溫差的傳熱量較之普通光滑管要高1.5～14倍.無論哪種比較準則下,兩種翅片管的綜合性能都要強于普通光管,在相同的比較準則下,實驗管具有較之比較管更好的傳熱性能,不同的翅片結構和流道形式對換熱強化影響較大.