換熱管內(nèi)自旋扭帶傳熱性能的研究

李健

（沈陽特種設(shè)備檢測研究院，沈陽110035）

1 引 言

由傳熱基本方程Q=KAΔTm不難看出，增大傳熱系數(shù)K、傳熱面積A 和傳熱平均溫差ΔTm，都可以提高傳熱速率。其中，設(shè)法增大總傳熱系數(shù)K 是強(qiáng)化傳熱的主要途徑。

欲提高傳熱速率，關(guān)鍵在于減小傳熱過程的熱阻。熱邊界層越薄，溫度梯度越大，熱阻就越小。所以通過改善流動狀況，使邊界層變薄，或通過相應(yīng)措施，對邊界層造成更大擾動以至破壞，是強(qiáng)化傳熱的主要途徑之一。本實(shí)驗(yàn)研究所用自旋扭帶就是通過旋轉(zhuǎn)來達(dá)到擾流，破壞邊界層，并使其變薄，從而對傳熱進(jìn)行了強(qiáng)化。本文主要介紹通過實(shí)驗(yàn)研究自旋扭帶對管內(nèi)側(cè)給熱系數(shù)的影響。

2 熱態(tài)試驗(yàn)分析

2.1 總傳熱系數(shù)K 的分析

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的總傳熱系數(shù)K 與雷諾數(shù)Re 關(guān)系如圖1 所示。K 與Re 成對數(shù)關(guān)系，且隨著雷諾數(shù)Re 的增大，總傳熱系數(shù)K 也增大。可以看出在相同雷諾數(shù)下，自旋扭帶與空管相比總傳熱系數(shù)K 有了明顯提高。從圖中發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的自旋扭帶對總傳熱系數(shù)K 的影響很小，所以在分析總傳熱系數(shù)時，可以忽略自旋扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其影響。

圖1 總傳熱系數(shù)K 與雷諾數(shù)Re 的關(guān)系圖

自旋扭帶的總傳熱系數(shù)K 的綜合回歸方程為K＝785ln（Re）-5485，經(jīng)過計(jì)算誤差均在±5%以內(nèi)，且有90%的數(shù)據(jù)在±1%以內(nèi)。

與空管的總傳熱系數(shù)K 的回歸方程進(jìn)行分析比較，總傳熱系數(shù)K 在加入自旋扭帶后，有了很大的提高。尤其在低雷諾數(shù)時，總傳熱系數(shù)提高12%～62%。由此可知自旋扭帶在低雷諾數(shù)時，會達(dá)到比較好的傳熱效果。

2.2 威爾遜Wilson 圖解法確定給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

式中，Nu-努塞爾準(zhǔn)數(shù)；μ-冷流體粘度，Pa·s，由t定查??；μw-壁溫下的水的粘度，Pa·s；C－給熱關(guān)聯(lián)式系數(shù)；p-雷諾數(shù)Re 的指數(shù)；Pr-普朗特數(shù)。

Wilson 圖解法的目的就是求關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)C 及Re 數(shù)的指數(shù)p。由于計(jì)算中要反復(fù)試差，工作量很大，本文采用MATLAB 編程處理數(shù)據(jù)。

圖2 表示的是自旋扭帶試件與空管的比較的Nu 準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系圖?？梢钥闯鯪u 準(zhǔn)數(shù)隨著雷諾數(shù)Re 的增加而增大，在相同的雷諾數(shù)Re 下，有自旋扭帶的換熱管比空管的Nu 數(shù)要高。而且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的自旋扭帶對Nu 準(zhǔn)數(shù)的提高不同。

圖2 Nu 準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)Re 關(guān)系圖

由圖2 可知，隨著雷諾數(shù)Re 的增加，Nu 值的提高率減小，即提高率η 隨Re 的增加而減小。

對式兩端取對數(shù)，進(jìn)行變量代換，化為多元線性函數(shù)形式，代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多元線性回歸分析。

式中，D-自旋扭帶帶寬，m；di-換熱管內(nèi)徑，m；Y-自旋扭帶扭轉(zhuǎn)比。

式中只有結(jié)構(gòu)參數(shù)D/di影響Nu 準(zhǔn)數(shù)的值，且Nu 值隨D/di增大而增大。在固定的換熱管中，置入自旋扭帶，Nu 值隨自旋扭帶的帶寬D 增大而增大。

該關(guān)聯(lián)式所依據(jù)的344 個熱態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（雷諾數(shù)Re>10000）中，有98%的數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式的偏差在±10%以內(nèi)。

2.3 傳熱性能評價

以上對插入自旋扭帶的傳熱性能進(jìn)行了計(jì)算，也做了基本的性能分析。下面對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評價。傳熱效果的強(qiáng)化都是以犧牲流體的阻力為代價的，導(dǎo)致?lián)Q熱強(qiáng)化性能的降低。所以評價的標(biāo)準(zhǔn)要考慮兩個因素：一是流體阻力；二是傳熱性能，且要綜合起來評價。

式中，λ 為摩擦阻力系數(shù)；下標(biāo)“0”表示空管對應(yīng)的物理量。φ＞1 表示強(qiáng)化傳熱手段有效，φ 值越高，則強(qiáng)化傳熱效果愈好。

圖中反映了傳熱性能評價因子φ 隨雷諾數(shù)Re 的變化趨勢。文獻(xiàn)［2］指出，只有φ＞1 時，才有應(yīng)用價值?？梢钥闯鲎鰧?shí)驗(yàn)的9 根自旋扭帶，其傳熱性能評價因子φ 不同。同一根自旋扭帶隨雷諾數(shù)Re 增大，性能評價因子φ逐漸增大。圖中可以看出，所有試件的φ 值基本上在整個雷諾數(shù)Re 變化區(qū)間里都大于1.3，說明它們的強(qiáng)化效果的綜合性能比較好，效果很明顯。

圖3 強(qiáng)化傳熱綜合性能評價圖

式中，φ-傳熱性能評價因子，下標(biāo)“0”表示空管對應(yīng)的物理量。

式中φ 是D、H、Re 的函數(shù)，我們研究的是扭帶的結(jié)構(gòu)尺寸對φ 的影響，這里先固定Re，令Re＝4×104代入式中，得： φ＝0.695D0.0907H0.0520

這里就變成了φ 是關(guān)于D、Y 的函數(shù)，即是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。這樣就可以在確定的雷諾數(shù)Re 下，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能評價因子φ 的影響。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)于自旋扭帶傳熱性能的計(jì)算，對雷諾數(shù)Re、總傳熱系數(shù)K、摩擦阻力系數(shù)λ 和努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu 等參數(shù)之間的變量關(guān)系進(jìn)行了分析研究。也對自旋扭帶的作了綜合性能的評價。

（1）自旋扭帶的總傳熱系數(shù)K 較空管有較大的提高，提高率在12%～62%之間。但自旋扭帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)對總傳熱系數(shù)影響不大，可以忽略，得到總傳熱系數(shù)K 的總回歸方程為K=785ln（Re）-5485。

（2）通過威爾遜圖解法確定了給熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并把結(jié)構(gòu)參數(shù)引入到了關(guān)聯(lián)式當(dāng)中，使自旋扭帶的結(jié)構(gòu)尺寸得到了量化的分析。給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為

本文采用自旋扭帶作為研究對象，目的在于尋找一種可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱和在線防垢、除垢，成本低廉，安裝拆卸方便，加工簡單，且具有良好的工作效果和實(shí)際應(yīng)用價值的強(qiáng)化元件。以上結(jié)論，可供工程技術(shù)人員及其他研究人員參考。

［1］《化學(xué)工程手冊》編輯委員會.化學(xué)工程手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986：112-114.

［2］ 顧維藻，等.強(qiáng)化傳熱［M］.北京：科學(xué)出版社，1990：2-4.