微細(xì)管殼式換熱器傳熱性能及其分析

戴傳山，　王秋香，　李　彪，　孫平樂

（天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津３０００７２）

摘要：對微細(xì)管管殼式換熱器的流動與傳熱性能進(jìn)行了實驗研究。根據(jù)實驗獲得的微細(xì)圓管換熱器對流傳熱努謝爾特數(shù)準(zhǔn)則式與流動阻力系數(shù)的準(zhǔn)則式，分析了微細(xì)管管殼式換熱器的傳熱流動綜合性能，并與傳統(tǒng)的管殼式換熱器進(jìn)行了分析對比。結(jié)果表明：微細(xì)管管殼式換熱器傳熱流動綜合傳熱性能是傳統(tǒng)管殼式換熱器的２到５倍，且在實驗范圍內(nèi)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。
    關(guān)鍵詞：微管；傳熱；流動；綜合性能
    中圖分類號：ＴＫ１２４文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ
    文章編號：１６７１－８０９７（２０１１）０４－０２８３－０４　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－８０９７．２０１１．０４．００１
    ０　引　言
    隨著微電子技術(shù)和微納米技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、醫(yī)療、化學(xué)、生物等領(lǐng)域，高密度微元器件的冷卻出現(xiàn)了問題，比如超大規(guī)模集成電路的熱障問題，微電子機(jī)械系統(tǒng)的流動傳熱問題等，引發(fā)眾多學(xué)者對微尺度流動傳熱的極大關(guān)注。
    石油、化工各工業(yè)領(lǐng)域都在大力發(fā)展大容量、高性能傳熱設(shè)備，且對傳熱設(shè)備的尺寸和重量有著特殊的要求，因而體積微小、單位體積傳熱面積很大的微小型化的換熱器將成為傳熱設(shè)備生產(chǎn)發(fā)展的趨勢。
    國內(nèi)外對微尺度的流動和傳熱研究比較重視，我國對該方面的研究經(jīng)費投入在不斷增加，取得了一些研究成果。彭曉峰等針對微槽道內(nèi)流動沸騰提出了擬沸騰概念［１］。周繼軍等通過微通道實驗得到的ｆＲｅ值高于傳統(tǒng)理論預(yù)測值，表明微槽道的表面粗糙度對流動和傳熱有重要的影響［２］。宋靜等［３］采用４００μｍ光滑玻璃管內(nèi)氮氣／水，氮氣／乙醇、氮氣／羧甲基纖維素鈉（ＣＭＣ）兩相流動特性進(jìn)行的流動阻力實驗，研究的結(jié)果表明，不同流體的摩擦壓降都會隨著表觀氣速和表觀液速的增加而呈現(xiàn)上升的趨勢。蔣潔等［４］對矩形微尺度通道中的流動阻力和傳熱特性進(jìn)行的實驗研究結(jié)果表明，微尺度通道中流體流動的摩擦阻力較小。
    微尺度通道中對流傳熱的Ｎｕ也與常規(guī)尺度通道的顯著不同：流量較小時，Ｎｕ較常規(guī)尺度通道中充分發(fā)展段的小；隨著水流量的增加，微通道的Ｎｕ迅速增加，并很快超過常規(guī)尺度通道的Ｎｕ，表現(xiàn)出微尺度效應(yīng)。
    國內(nèi)外對微槽道的研究內(nèi)容比較多，而針對微管的研究并不多見。其原因主要有：１）在許多工藝過程中，微管表面并不是直接發(fā)熱表面，因此，針對微管的研究主要出現(xiàn)在微熱管或單毛細(xì)管傳熱與流動；２）微細(xì)管換熱器的加工制作工藝相對微通道比較難，但是值得指出的是圓形結(jié)構(gòu)依然是生物界中的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)［５］。
    然而，微尺度內(nèi)流動傳熱問題非常復(fù)雜，雖然研究取得了一些成果，但同時還存在一些問題，需要進(jìn)一步豐富實驗研究，積累數(shù)據(jù)，加深微尺度為流動傳熱問題的認(rèn)識，并盡可能的用來指導(dǎo)微型高效傳熱設(shè)備的設(shè)計。
    本文對一種微細(xì)管殼式換熱器進(jìn)行了傳熱與流動阻力的實驗研究，分析了該形式換熱器的傳熱與流動的綜合特性，以期為高效微管傳熱性的設(shè)計提供指導(dǎo)。
    １　實驗系統(tǒng)
    本文的實驗對象是自行設(shè)計加工的類似于管殼式換熱器的微管管束換熱器。其中，微細(xì)圓截面?zhèn)鳠嶙香~管６１根，管內(nèi)徑０．６８ｍｍ、外徑１．０ｍｍ、長１５４ｍｍ。

           
    整個實驗系統(tǒng)是一個封閉狀態(tài)，如圖１所示，選用Ｒ１４２ｂ作循環(huán)工質(zhì)，工質(zhì)通過計量泵來提供動力或壓力進(jìn)行循環(huán)。冷、熱源溫度分別用兩個恒溫水浴來實現(xiàn)，同時安裝了溫度、流量、壓力的傳感器以及安捷倫數(shù)據(jù)采集設(shè)備。循環(huán)工質(zhì)由計量泵升壓后，進(jìn)入質(zhì)量流量計測得其流量，然后被送入微管換熱器與熱源傳熱。被熱源加熱的循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入冷卻器冷卻至合適溫度再被泵吸走構(gòu)成循環(huán)。
    ２　實驗結(jié)果討論
    用威爾遜圖解法處理實驗數(shù)據(jù)，擬合針對微管管束管內(nèi)單相強(qiáng)制對流傳熱Ｎｕ準(zhǔn)則式，并與已有相關(guān)文獻(xiàn)比較揭示微管傳熱的特性。研究微管管內(nèi)壓力降與質(zhì)量流量的關(guān)系；摩擦阻力系數(shù)ｆ與Ｒｅ的關(guān)系并與常規(guī)尺度下的值進(jìn)行對比分析。定義換熱器傳熱流動特性綜合評價指標(biāo)，與常規(guī)尺度管殼式換熱器對比分析突出微細(xì)管換熱器的優(yōu)勢。
    ２．１　微管內(nèi)傳熱關(guān)聯(lián)式的提出
    在微管換熱器管內(nèi)、管外傳熱性能實驗數(shù)據(jù)的處理上，本文假設(shè)：１）實驗用微細(xì)銅管具有相同的表面粗糙度；２）每根傳熱管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量相同，即無流體分布不均現(xiàn)象；３）沿微細(xì)銅管管壁的軸向?qū)峥梢院雎圆挥嫞徊⒓僭O(shè)管內(nèi)平均傳熱Ｎｕ準(zhǔn)則式為：

            
    通過調(diào)整ｎ用最小二乘法線性擬合，使盡量多的實驗數(shù)據(jù)落在擬合直線上，從而確定Ｒｅ的最佳指數(shù)ｎ。用計算機(jī)編程計算得到ｎ＝１．０８，平均擬合偏差為３．５％。此時微管管束管內(nèi)單相強(qiáng)制對流傳熱Ｎｕ準(zhǔn)則式見式（２），實驗Ｎｕ與計算Ｎｕ的對比見圖２，Ｎｕ隨Ｒｅ的變化與常規(guī)管換熱器的對比見圖３。

            
    ２．２　微細(xì)管換熱器管側(cè)阻力特性
    實驗中微管換熱器水平安裝，流體在水平微管內(nèi)流動重力壓降可忽略。因為實驗工質(zhì)Ｒ１４２ｂ的不可壓縮性，工質(zhì)在微管換熱器進(jìn)出口密度變化很小，加速壓降不超過１０Ｐａ，故可以忽略。達(dá)西摩擦系數(shù)ｆ整理成：

             
    圖４表示在不同的微管管外流速下，微管管內(nèi)壓降隨微管管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量的變化關(guān)系。微管管內(nèi)壓降隨管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量的增加急劇增加，實驗點分布比較離散。

             
    圖５為通過最小二乘法得到的ｆ與Ｒｅ最佳擬合關(guān)系式。

             
    實驗結(jié)果表明：微管管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)ｆ明顯高于常規(guī)尺度層流摩擦系數(shù)，本文認(rèn)為微細(xì)管內(nèi)表面粗糙度對流動壓降、流體流態(tài)有很大影響。壓降摩擦阻力系數(shù)ｆ從０．４５降到０．１５。遠(yuǎn)大于Ｍｏｏｄｙ圖給出層流范圍的摩擦系數(shù)，常規(guī)尺度的摩擦系數(shù)理論也許在這里已不再適用。

             
    ２．３　微細(xì)管換熱器管內(nèi)的傳熱與流動綜合性能
    分析可知，微細(xì)管管殼式換熱器管內(nèi)單相強(qiáng)制對流傳熱Ｎｕ比常規(guī)尺度Ｎｕ要高１．６～３．８倍，與此同時也帶來微細(xì)管內(nèi)壓力降的增長，為了評價微細(xì)管換熱器的整體性能，引入換熱器傳熱流動特性綜合指標(biāo)Ｎｕ·ｆ１／３。通過實驗數(shù)據(jù)整理可得本實驗用的微細(xì)管換熱器的傳熱流動特性綜合指標(biāo)。

             
    由圖６可知，強(qiáng)化倍數(shù)隨Ｒｅ的增加而增加，即在較大Ｒｅ下，微細(xì)管換熱器比常規(guī)管的傳熱流動綜合性能的強(qiáng)化倍數(shù)更高。本文實驗管殼式微細(xì)管換熱器的傳熱流動綜合性能，與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，前者傳熱流動綜合傳熱性能是后者的２．４５到５．５８倍，且在實驗范圍內(nèi)隨著Ｒｅ的增加而增加。

             
    ３　結(jié)　論
    本文對微細(xì)管管殼式換熱器的流動與傳熱性能進(jìn)行了實驗研究。整理出了微管管內(nèi)單相強(qiáng)制對流傳熱Ｎｕ準(zhǔn)則式，并與已有相關(guān)文獻(xiàn)比較揭示微管傳熱的特性。結(jié)果表明：
    １）管內(nèi)單相強(qiáng)制對流傳熱Ｎｕ比常規(guī)尺度Ｎｕ要高１．６～３．８倍，且在實驗范圍內(nèi)隨著Ｒｅ的增加而增加。
    ２）微管管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)ｆ明顯高于常規(guī)尺度層流摩擦系數(shù)，且微細(xì)管內(nèi)表面粗糙度對流動壓降、流體流態(tài)有很大影響。壓降摩擦阻力系數(shù)ｆ從０．４５降到０．１５。遠(yuǎn)大于Ｍｏｏｄｙ圖給出層流范圍的摩擦系數(shù)，常規(guī)尺度的摩擦系數(shù)理論在這里已不再適用。
    ３）本實驗管殼式微細(xì)管換熱器的傳熱流動綜合性能是傳統(tǒng)的管殼式換熱器的２．４５到５．５８倍，且在實驗范圍內(nèi)隨著Ｒｅ的增加而增加。
    參考文獻(xiàn)：略