叉排三維外肋管的傳熱特性

葛銘，趙利杰，戴維葆，蔡培，舒少辛，楊海瑞，呂俊復(fù)

（1國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031；2北京兆陽光熱技術(shù)有限公司，北京 101102；3江蘇海德節(jié)能科技有限公司，江蘇 無錫 214215；4清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

叉排三維外肋管的傳熱特性

葛銘1，趙利杰2，戴維葆1，蔡培1，舒少辛3，楊海瑞4，呂俊復(fù)4

（1國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031；2北京兆陽光熱技術(shù)有限公司，北京 101102；3江蘇海德節(jié)能科技有限公司，江蘇 無錫 214215；4清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

以純凈水為換熱工質(zhì)，空氣為換熱氣體，搭建了換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)。對光管和叉排三維外肋管進(jìn)行了傳熱實(shí)驗(yàn)研究。詳細(xì)介紹了傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建以及實(shí)驗(yàn)步驟，并為求解傳熱系數(shù)進(jìn)行了理論模型的推導(dǎo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于叉排三維外肋管的特殊結(jié)構(gòu)，相同條件下其傳熱系數(shù)是光管傳熱系數(shù)的3.1倍左右。對光管和外肋管的傳熱系數(shù)進(jìn)行線性擬合，得到了各自的換熱關(guān)聯(lián)式，為叉排三維外肋管的工業(yè)應(yīng)用提供了參考。最后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信。

叉排三維外肋管；強(qiáng)化傳熱；傳熱系數(shù)；實(shí)驗(yàn)研究

Abstract:Heat transfer test rig had been built with pure water as heat transfer medium and air as heat transfer gas.Heat transfer experimental investigation on circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube had been carried out.The building of test rig and experimental procedure had been introduced in details accompany with the theoretical model being derived for solving heat transfer coefficients.It was found that due to the special structure of staggered three-dimensional externally finned tube,its overall heat transfer coefficient is 3.1 times bigger than that of circular tube.By a linear regressive method,the experimental data were processed.The criterion relations of heat transfer were obtained and compared with circular tube.The results could provide reference for the industrial application.Finally,the deviation of the experimental data is analyzed and the result is believable.

Key words:staggered three-dimensional externally finned tube; enhanced heat transfer; overall heat transfer;experimental research

引 言

換熱器在電站鍋爐、石油、化工、制冷等工業(yè)部門中是不可缺少的設(shè)備。對于常見的換熱器管束形式，如光管、H型鰭片管、螺旋管，學(xué)者們都進(jìn)行了深入的研究[1-3]。三維外肋管作為一種離散肋片管，其換熱性能比普通的連續(xù)肋片管大大增強(qiáng)。同時(shí)由于肋片的形式多樣，布置形式復(fù)雜，學(xué)者們還不能建立起完善的理論或數(shù)值解方法。工業(yè)上針肋管束的傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)還依賴于實(shí)際實(shí)驗(yàn)。夏國棟等[4-8]對水滴型、方形、長菱形、圓形等幾種不同類型的微針肋管進(jìn)行了換熱特性數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并對不同類型管束的換熱性能進(jìn)行了比較。金晶等[9]對一種針形肋管進(jìn)行了縱向沖刷的傳熱特性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針形肋管的平均傳熱系數(shù)比光管的高75%左右。何春霞等[10]對新開發(fā)的兩種三維外肋管的自然對流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1種外肋管的傳熱系數(shù)是光管的1.3～1.6倍，第2種外肋管達(dá)到了1.5～2倍。吳偉棟等[11-12]對一種新型的叉排三維外肋管的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針肋管的傳熱系數(shù)比光管增大了1.5～2.5倍。廖強(qiáng)等[13-14]對水平三維肋管進(jìn)行了凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三維肋管的凝結(jié)傳熱系數(shù)能達(dá)到光管的1.7～2.9倍；不凝結(jié)氣體越多，換熱效果越好。Aliaga等[15]對橫向矩形肋進(jìn)行了換熱實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了肋間距與肋高比對于傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。Chyu等[16]采用萘升華方法得到了立方體、柱體、椎體、半球體、菱形等5種三維肋的局部傳熱系數(shù)圖譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿肋高方向，局部傳熱系數(shù)變大。Jubran等[17]對圓柱形三維肋的肋片間距影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最佳的肋間距是肋直徑的2.5倍。胡振軍等[18]對三維離散傾斜肋的傳熱特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于二次流和渦旋流的作用，離散傾斜肋管的傳熱系數(shù)能達(dá)到光滑通道的3～4倍。綜上所述，學(xué)者們對各種類型的針肋管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了傳熱關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)針肋管相對于光管，傳熱系數(shù)普遍增加。但對于叉排方形針肋管實(shí)驗(yàn)研究較少，還有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

本文在自行搭建的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對一種新開發(fā)的叉排三維外肋管進(jìn)行了傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了傳熱關(guān)聯(lián)式，為這種針肋管的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

圖1 三維外肋管的剖面圖Fig.1 Profile of staggered three-dimensional externally finned tube

圖2 針肋和光管的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structure dimension drawing of circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube

換熱管是本實(shí)驗(yàn)研究的重要元件，包括光管和叉排三維外肋管。叉排三維外肋管是指肋片的布置呈現(xiàn)交叉布置，其是在光管的基礎(chǔ)上通過機(jī)床刻切加工出來，為整體式肋片。肋片與基管的接觸熱阻可以忽略。第二排的針肋是在第一排針肋的間隔處刻切出來，以此類推。由于是在前一排肋片的空縫中刻切，后一排肋片與前一排肋片的間距可以小于肋片高度，因此增加了肋片的數(shù)量。這種工藝可以在有限的光管表面上盡可能多地刻切出針肋，同時(shí)制造的肋片呈不規(guī)則分布，對氣流的擾動(dòng)相對于規(guī)則布置的肋片加強(qiáng)。具體可見圖1。針肋的高度為3 mm，寬度為2 mm，厚度為0.5 mm。由于針肋的厚度很小，叉排三維針肋管的基管僅比光管減薄0.5 mm，為方便肋片管和光管的比較，肋片基管壁厚的減薄不予考慮。兩者的材料都為 ND鋼。三維外肋管和光管的結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，具體參數(shù)見表1。

表1 針肋和光管的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameter of circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩個(gè)分系統(tǒng)組成，包括氣體系統(tǒng)和水系統(tǒng)。在氣體系統(tǒng)中，考慮到實(shí)驗(yàn)的可行性，采用空氣作為換熱氣體。氣體由羅茨風(fēng)機(jī)提供，最大風(fēng)量可達(dá)到1200 m3·h?1。渦街流量計(jì)實(shí)時(shí)測量風(fēng)量大小，其精度達(dá)到0.01 m3·h?1。實(shí)驗(yàn)段為長度2000 mm，截面570 mm×100 mm的有機(jī)玻璃長方體。其上開有卡槽用于放置三維外肋管。管路出口距離三維外肋管10個(gè)當(dāng)量直徑的長度，實(shí)驗(yàn)段出口距離三維外肋管5個(gè)當(dāng)量直徑的長度，這樣確保氣體不均勻性的影響可以忽略。兩根PT100型號的熱電偶分別布置在三維外肋管上下游距離三維外肋管1個(gè)當(dāng)量直徑的地方，用于測量氣體的前后溫度變化，其精度可以達(dá)到0.1℃。在水回路中，熱水的循環(huán)由水泵提供動(dòng)力，流量由電磁流量計(jì)測得，其精度達(dá)到0.001 m3·h?1。4根1.5 kW的加熱棒用于加熱水箱中的水。前后的水溫變化由三維外肋管進(jìn)出口布置的 K型熱電偶測得，其精度達(dá)到0.01℃。為了減少測量誤差，氣體和水的定性溫度選取實(shí)驗(yàn)溫度的平均值，此時(shí)ND鋼的熱導(dǎo)率為43 W·(m·K)?1[19]。為了減少多回路時(shí)彎頭處的散熱損失，實(shí)驗(yàn)采用單根管布置形式。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)在文獻(xiàn)[20]中驗(yàn)證。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system 1—blower; 2—vortex flowmeter; 3—data acquisition; 4—water pump;5—electromagnetic flowmeter; 6—double H-type finned tube;7—measuring point; 8—air distribution plate

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

由于水的比熱容大，其溫度穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)采用熱水與冷空氣換熱的方案[21]。由于管束都是首次使用，污垢熱阻不予考慮。實(shí)驗(yàn)中的水溫、風(fēng)溫都較低，輻射傳熱不予考慮。實(shí)驗(yàn)中，熱水溫度在46～48℃。管排進(jìn)出口水溫變化幅度在 0.2～0.3℃。光管實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)溫變化區(qū)間在 5～15℃；三維外肋管實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)溫變化在 8～15℃?？刂扑牧髁勘３衷? m3·min?1左右不變，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)改變空氣流量。風(fēng)量從400 m3逐步上升到1000 m3左右，每次上升100 m3左右。有機(jī)玻璃的熱導(dǎo)率較小，為 0.19 W·(m·K)?1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傳熱系數(shù)的確定

本實(shí)驗(yàn)中熱量傳遞過程包括：光管或三維外肋管內(nèi)的強(qiáng)制對流換熱；管壁的導(dǎo)熱；管外的對流換熱。根據(jù)能量守恒原理，這3部分的熱量相等[22]。根據(jù)等量關(guān)系可以確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱損失。管內(nèi)的對流換熱量用水的放熱量來描述

管外的對流換熱量用空氣的吸熱量來描述

根據(jù)式（1）與式（2）的熱量差值可以得到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱損失，約為 10%。則根據(jù)式（3）即可求得光管和叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。由于氣體的比熱容小，溫度變化明顯，測量誤差小，故選取氣體的吸熱量來計(jì)算。

由于叉排三維針肋管的針肋太多，計(jì)算其換熱面積煩瑣，因此仍以光管的換熱面積來計(jì)算叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。得到的叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)是以光管為基準(zhǔn)的。換熱面積的計(jì)算式為

2.2 傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值

根據(jù)式（3）可以得到光管和叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值Fig.4 Experimental data of heat transfer coefficient

由圖可知，外肋管和光管的傳熱系數(shù)都隨著空氣流速的增加而提高。比較兩者在不同氣體流速下的傳熱系數(shù)，可以知道以光管傳熱面積為基準(zhǔn)的外肋管傳熱系數(shù)約是光管傳熱系數(shù)的3.1倍。這與文獻(xiàn)[12]的研究較為接近。其中，外肋管傳熱系數(shù)隨流速提高而急劇增大，光管的變化則相對平緩。外肋管的換熱能力遠(yuǎn)大于光管。原因在于當(dāng)氣體流過叉排外肋管時(shí)，產(chǎn)生了流動(dòng)脫離區(qū)，形成了大小不一的渦流。同時(shí)由于叉排的特殊結(jié)構(gòu)，在垂直于主流動(dòng)方向，又會(huì)產(chǎn)生橫向的二次流動(dòng)，導(dǎo)致近壁的氣流湍流度急劇增大[23]。

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸方法對叉排三維外肋管和光管進(jìn)行傳熱關(guān)聯(lián)式擬合，可以得到高流速下的傳熱系數(shù)，便于工業(yè)上的選取。光管的傳熱關(guān)聯(lián)式為

叉排三維外肋管的傳熱關(guān)聯(lián)式為

為了驗(yàn)證擬合關(guān)聯(lián)式的可靠性，對其進(jìn)行誤差分析。圖5、圖6分別為叉排三維針肋管和光管傳熱關(guān)聯(lián)式的誤差分析。由圖可知，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都分布在擬合關(guān)聯(lián)式±8%的誤差線內(nèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

圖5 叉排三維外肋管傳熱關(guān)聯(lián)式誤差分析Fig.5 Error analysis of heat transfer correlation for staggeredthree-dimensional externally finned tube

圖6 光管傳熱關(guān)聯(lián)式誤差分析Fig.6 Error analysis of heat transfer correlation for circle tube

3 結(jié) 論

搭建了換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了光管和叉排三維外肋管的換熱特性，得到的主要結(jié)論如下。

（1）通過實(shí)驗(yàn)研究，得到了特殊結(jié)構(gòu)的叉排三維外肋管和光管的傳熱系數(shù)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到叉排三維外肋管和光管的傳熱關(guān)聯(lián)式，為叉排三維外肋管的工程應(yīng)用提供了參考。

（2）基于光管傳熱面積，叉排三維外肋管的傳熱系數(shù)值約是同等規(guī)格光管傳熱系數(shù)的3.1倍，略大于前人的研究結(jié)果，說明本實(shí)驗(yàn)采用的叉排三維外肋管傳熱系數(shù)比現(xiàn)有的針肋管要高。該叉排三維外肋管值得推廣。

符 號 說 明

A——實(shí)驗(yàn)管束的換熱面積，m2

cw,cg——分別為水和氣體的比定壓熱容，J·(kg·℃)?1

Pr——空氣的Prandtl數(shù)

Qw,Qg——分別為水和氣體的流量，m3·s?1

tg1,tg2——分別為管束下游和上游測量的空氣溫度，℃

tw1,tw2——分別為管束的進(jìn)出口水溫，℃

v——空氣流速，m·s?1

ηloss——實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱損失

λ——空氣的熱導(dǎo)率，W·(m·K)?1

ρw,ρg——分別為水和氣體的密度，kg·m?3

υ——空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s?1

Φw,Φg——分別為水和氣體的放熱量，W

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Heat transfer of staggered three-dimensional externally finned tube

GE Ming1,ZHAO Lijie2,DAI Weibao1,CAI Pei1,SHU Shaoxin3,YANG Hairui4,Lü Junfu4
(1Guodian Science and Technology Research Institute,Nanjing210031,Jiangsu,China;2Beijing Tera Solar Photothermal Technologies Co.,Ltd.,Beijing101102,China;3Hi-Tech(Jiangsu)Research&Science Co.,Ltd.,Wuxi214215,Jiangsu,China;4Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

TQ 021.3

A

0438—1157（2017）10—3733—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170315

2017-03-29收到初稿，2017-08-31收到修改稿。

聯(lián)系人：呂俊復(fù)。

葛銘（1991—），男，碩士研究生。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0600203）。

Received date:2017-03-29.

Corresponding author:Prof.Lü Junfu,lvjf@mail.tsinghua.edu.cn

Foundation item:supported by the National Key Research and Development Program of China(2016YFB0600203).