針翅套管傳熱元件阻力特性實(shí)驗(yàn)研究

陳哲雨，孫立成，丁 銘

(哈爾濱工程大學(xué)核能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001)

哈爾濱工程大學(xué)對(duì)針翅管進(jìn)行了深入研究［1－5］，發(fā)現(xiàn)了這種非連續(xù)翅片管適用于高黏度流體強(qiáng)化傳熱的優(yōu)點(diǎn).在針翅管的基礎(chǔ)上，哈爾濱工程大學(xué)又創(chuàng)新了針翅套管，它實(shí)現(xiàn)了流體的雙面冷卻，具有結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高黏度流體的強(qiáng)化傳熱.此外，針翅套管解決了針翅管換熱器漏流、有傳熱死區(qū)等缺點(diǎn).

針翅套管在獲得較高傳熱效率的同時(shí)，由于流道內(nèi)流體的流動(dòng)情況復(fù)雜，也使其的阻力高于普通強(qiáng)化傳熱管.因此，研究影響針翅套管阻力的各個(gè)參數(shù)，分析針翅套管阻力的變化規(guī)律，找出針翅套管的傳熱與阻力最佳契合點(diǎn)，是十分必要的.

1 實(shí)驗(yàn)元件與實(shí)驗(yàn)裝置

針翅套管分兩個(gè)水通道和一個(gè)油通道:針翅管內(nèi)部、外套管外部為水側(cè)通道，針翅管與外套管之間的環(huán)隙為油側(cè)通道.

實(shí)驗(yàn)所用針翅管基管尺寸為Φ12×2，針翅套管具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，分為兩個(gè)回路:油側(cè)回路與水側(cè)回路.潤(rùn)滑油在油箱中被加熱到額定溫度，經(jīng)齒輪泵增壓，輸送到實(shí)驗(yàn)段中，冷卻后返回油箱;水側(cè)同樣有一個(gè)蓄水池，冷卻水由離心泵輸送到實(shí)驗(yàn)段中，被加熱后，返回水池.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持油側(cè)與水側(cè)入口溫度在額定溫度.

表1 針翅套管結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的數(shù)據(jù)包括:油側(cè)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口油溫、流量與壓降，水側(cè)進(jìn)出口水溫、流量與壓降.

在測(cè)量油側(cè)壓降時(shí)，由于直接測(cè)量針翅套管式強(qiáng)化傳熱元件針翅部分的壓降不容易實(shí)現(xiàn)，所以測(cè)量壓降時(shí)包含了針翅套管兩端的進(jìn)出口局部壓降，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮減掉這部分局部壓降.

接頭部分局部壓降由實(shí)驗(yàn)得出.制作一根內(nèi)外同為光管的針翅套管，由于環(huán)隙的沿程阻力已有精確的公式，將測(cè)得阻力減掉沿程阻力之后，即可得到接頭處的局部阻力.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置回路圖

2 阻力分析

圖2為針翅套管結(jié)構(gòu)尺寸示意圖.針翅套管中含有針翅管，流體在針翅管與外套管之間的環(huán)形間隙內(nèi)流動(dòng)時(shí)，受到針翅的攪混與擾動(dòng)，在翅片處出現(xiàn)渦的生成與脫落，流動(dòng)情況非常復(fù)雜.針翅管針翅的高度、相鄰排針翅之間的距離、針翅管與外套管之間的間隙尺寸以及針翅管軸向針翅部分的總長(zhǎng)［1］都會(huì)影響環(huán)隙內(nèi)流動(dòng)流體的壓降.因此，使用沿程阻力公式及常規(guī)阻力系數(shù)公式對(duì)針翅套管阻力進(jìn)行計(jì)算分析，得到的結(jié)果不是十分理想.本文嘗試從一個(gè)新的角度對(duì)針翅套管的阻力進(jìn)行分析.

圖2 針翅套管的橫剖面與縱剖面

將針翅套管看成一個(gè)大的局部阻力件，把針翅管針翅的高度、相鄰排針翅之間的距離、針翅管與外套管之間的間隙尺寸以及針翅管軸向針翅部分的總長(zhǎng)等結(jié)構(gòu)因素歸結(jié)到阻力系數(shù)中去，是一個(gè)很好的思考方向.這樣既可以突破沿程阻力的束縛，避免出現(xiàn)整體當(dāng)量直徑等難以計(jì)算的參數(shù).同時(shí)又考慮了針翅套管各個(gè)參數(shù)對(duì)整體壓降的影響，使目標(biāo)更加明確，分析更加合理.

局部阻力的一般形式如下式［6］:

其中:ξ為局部阻力系數(shù)，u為針翅處流速，ρ為流體平均溫度下的密度.

其中:C為包含針翅套管結(jié)構(gòu)參數(shù)的常數(shù)項(xiàng)，Re為針翅處雷諾數(shù)，D為針翅管基管與外套管之間環(huán)隙的當(dāng)量直徑，ν為流體平均溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度.

由于針翅處的當(dāng)量直徑受針翅數(shù)目的影響較大;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針翅數(shù)目對(duì)針翅套管阻力的影響并不十分明顯，所以用針翅管基管與外套管之間環(huán)隙的當(dāng)量直徑計(jì)算針翅處雷諾數(shù).

由圖3可知，針翅套管中流體的流動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)

局部阻力系數(shù)的計(jì)算應(yīng)用以下公式:其中:L為針翅管軸向針翅部分的總長(zhǎng)，T為相鄰兩排針翅之間的距離.

以上分析為軸向長(zhǎng)度上針翅參數(shù)對(duì)針翅套管阻力的影響，下面分析每個(gè)小單元的阻力情況，即:針翅高度h與外套管同針翅管翅尖之間的間隙δ對(duì)針翅套管阻力的影響.由圖1縱剖圖可以看出，h與δ決定了針翅套管環(huán)隙針翅處的流通面積，而流速與流通面積的大小呈反比，h與δ通過(guò)影響針翅處的流速進(jìn)而對(duì)每個(gè)小單元的阻力產(chǎn)生影響.從圖1還可以看出，h與δ起到相反的作用，h越大、δ越小針翅處流速越高，因此，h與δ可以用比值的形式歸結(jié)到一個(gè)參數(shù)中去，如式(5).一種周期性:針翅部分，光滑環(huán)隙部分，針翅部分，光滑環(huán)隙部分.因此，我們可以將整根針翅套管劃分成為若干個(gè)小單元，每個(gè)小單元包含前后兩部分光滑部分與中間的針翅部分。這樣，針翅套管的阻力就由諸多單個(gè)小單元的阻力組成，與小單元的個(gè)數(shù)成正比關(guān)系.由于局部阻力需要一段直管段作為穩(wěn)定段，針翅套管的節(jié)距T明顯不能達(dá)到所需穩(wěn)定段的長(zhǎng)度，因此相鄰的小局部阻力之間會(huì)產(chǎn)生影響，所計(jì)算的單個(gè)小單元的局部阻力就不是潤(rùn)滑油流過(guò)一排針翅后產(chǎn)生的全部局部阻力.H/T越小，即表明局部阻力的穩(wěn)定段越長(zhǎng)，單個(gè)小單元局部阻力的完整性越好，所以，添加指數(shù)為負(fù)數(shù)的單個(gè)局部阻力的修正系數(shù)，具體關(guān)系如式(4)所示.

當(dāng)不同針翅套管的h與δ相同，其他參數(shù)也相同時(shí)，針翅套管阻力會(huì)隨著針翅管管徑d變化而變化，因此，徑向截面上的參數(shù)應(yīng)該包含了h、δ與d三個(gè)參數(shù).

用A1表示縱剖面上針翅部分面積，A2表示縱剖面上無(wú)針翅部分面積.用A1/A2代替h/δ，作為新的計(jì)算參數(shù)，即:

計(jì)算針翅部分面積時(shí)，根據(jù)針翅管實(shí)際加工情況，將針翅形狀簡(jiǎn)化成根部相連的若干三角形，這樣可得:

其中:d為針翅管針翅根部處直徑.

綜上所述，針翅套管壓降關(guān)聯(lián)式具體形式如下:

其中:ε為常數(shù)項(xiàng).

3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)式(2)可知，對(duì)于針翅套管，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)不隨針翅套管結(jié)構(gòu)尺寸變化，對(duì)式(2)取對(duì)數(shù)，得:

應(yīng)用式(9)對(duì)各針翅套管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖3所示.

圖3 ln(f)與ln(Re)關(guān)系圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，7根針翅套管的ln(f)與ln(Re)都呈線性關(guān)系，變化范圍在 －0.97～ －0.94之間，考慮到測(cè)量誤差的影響，認(rèn)為式(2)的規(guī)律是存在的，即:對(duì)針翅套管進(jìn)行的局部阻力假設(shè)是合理的，m值范圍在－0.97～－0.94之間.

根據(jù)各針翅套管的擬合結(jié)果可以得到m與C的值，利用不同針翅套管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可列出式(8)的方程組，求出方程組的近似解，即得到符合7根實(shí)驗(yàn)元件的最佳ε，k，n的值.

經(jīng)計(jì)算得出針翅套管阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式為:

應(yīng)用范圍:2.5≤T≤8.7，2.8≤h/δ≤18.3，9≤d≤12.

關(guān)聯(lián)式中對(duì)參數(shù)的處理采用了兩次比值的形式.兩組參數(shù)的共同特點(diǎn)是:相互影響且對(duì)針翅套管阻力所起的作用完全相反，在某些條件不變的情況下，一個(gè)的增大必定表示著另一個(gè)的減小，一個(gè)參數(shù)增大后導(dǎo)致阻力增加，另一個(gè)參數(shù)增大后導(dǎo)致阻力減小.為了清楚地表示它們之間的這種關(guān)系，所以在關(guān)聯(lián)式中把它們做成了比值的形式，便于對(duì)針翅套管的理論分析;同時(shí)，應(yīng)用比值的形式還可以減少未知數(shù)的數(shù)量，使計(jì)算更加簡(jiǎn)單.

圖4為編號(hào)為1#針翅套管計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比，由圖中曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)總體符合較好，其他6根針翅套管的符合情況與1#針翅套管大致相同，不再贅述.

圖4 1#針翅套管計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

應(yīng)用編號(hào)為8#、9#的兩根針翅套管對(duì)上述關(guān)聯(lián)式進(jìn)行驗(yàn)證，其對(duì)比結(jié)果如圖5所示，8#針翅管基管尺寸為Φ12×2，9#針翅管基管尺寸為Φ9×1.5.

由以上對(duì)比可以看出，針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明阻力關(guān)聯(lián)式的準(zhǔn)確性，對(duì)于其他參數(shù)的針翅套管是否可以應(yīng)用該關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證.通過(guò)上述擬合的阻力關(guān)聯(lián)式可以看出h與δ對(duì)針翅套管阻力的影響較L與T的大，所以想要減小針翅套管阻力，首先要從h與δ上著手;當(dāng)要增大針翅套管換熱量原h(huán)、δ與T不變.應(yīng)用針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式，可以清楚地了解針翅套管阻力隨參數(shù)變化而產(chǎn)生的變化，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳尺寸.

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用了局部阻力的分析方法分析了針翅了影響針翅套管這個(gè)大局部阻力件阻力系數(shù)的因素及這些因素的作用機(jī)理.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，擬合了針翅套管阻力計(jì)算關(guān)聯(lián)式，應(yīng)用關(guān)聯(lián)式對(duì)針翅套管阻力進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際測(cè)得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者符合較好，差值在10%以內(nèi).最后，根據(jù)對(duì)針翅套管阻力關(guān)聯(lián)式中各系數(shù)數(shù)值大小的分析，明確了各參數(shù)對(duì)針翅套管阻力的影響程度，為實(shí)際設(shè)計(jì)加工針翅套管型換熱器提供了理論依據(jù)及便利條件.套管的阻力特點(diǎn).根據(jù)針翅套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出

圖5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

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