內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性研究

孫坤龍

（江蘇拓米洛環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司，昆山 215300）

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷革新與發(fā)展，汽車系統(tǒng)向著更加緊湊集約、穩(wěn)定可靠的方向不斷發(fā)展。而汽車零部件的運(yùn)行性能對汽車系統(tǒng)的發(fā)展程度起著決定性的作用，這意味著汽車系統(tǒng)的發(fā)展必然以汽車零部件性能的發(fā)揮為前提。也即，汽車系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上取決于汽車零部件的不斷開發(fā)。

汽車零部件在使用過程中會(huì)遇到各種各樣的環(huán)境，比如：高溫、低溫、高壓、低壓、高濕、低濕、震動(dòng)、應(yīng)力或由這些環(huán)境中的一些環(huán)境的交互、交變形成的更加復(fù)雜多變的環(huán)境等。因此，如何開發(fā)出對復(fù)雜多變的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的零部件，并能保證零部件在這些環(huán)境中具有更優(yōu)良的性能是當(dāng)今零部件開發(fā)的主要方向。在這些復(fù)雜的環(huán)境中，最常見的是高低溫環(huán)境引起的零部件應(yīng)力的變化。在附加應(yīng)力的作用下，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低、性能的衰減；甚至造成零部件的損壞。因此，為減弱高低溫環(huán)境對零部件的損害程度，使得零部件在更適宜、更穩(wěn)定的環(huán)境中工作，就需要通過換熱器為一些易受溫度影響的零部件創(chuàng)造出穩(wěn)定適宜的工作環(huán)境，從而保證這些零部件的長期可靠運(yùn)行。因此換熱器是當(dāng)前汽車系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的輔助部件。然而，換熱器在這種惡劣的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，同樣會(huì)受到高低溫引起的應(yīng)力作用；由應(yīng)力作用導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的案例也不在少數(shù)。因此，換熱器的運(yùn)行可靠性及換熱特性決定了其適宜的運(yùn)行環(huán)境，研究更適宜應(yīng)對高低溫環(huán)境的換熱器具有重要的意義。

由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，刺刀管式換熱器的內(nèi)管和外管均可以自由伸縮；在高低溫環(huán)境下，其不受熱應(yīng)力的作用[1]。因此，刺刀管式換熱器是一種特別適宜應(yīng)對高低溫環(huán)境的換熱器。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是用于對單根刺刀管式換熱器的實(shí)驗(yàn)，以獲得換熱過程中工質(zhì)的壓力和溫度等參數(shù)，從而對其傳熱特性進(jìn)行分析與研究。

刺刀管式換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括回路系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.1回路系統(tǒng)

回路系統(tǒng)主要包括：氣體源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)及冷卻系統(tǒng)。

1.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要用來測量實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中的測控系統(tǒng)主要包括：殼程管路測量系統(tǒng)、管程管路測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

1.3 其它輔助系統(tǒng)

主要組成有：連接管道、除油過濾器、空氣過濾器及精密大氣壓力表等。

2 傳熱特性的分析與實(shí)驗(yàn)

通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進(jìn)行研究。確定其傳熱特性與冷熱工質(zhì)溫度、流速、換熱器的結(jié)構(gòu)及熱邊界條件之間的關(guān)系。

2.1 影響因素的分析

由于內(nèi)管絕熱，單根刺刀管式換熱器的殼程和管程的通道均可視為圓環(huán)形通道。

2.1.1內(nèi)外壁面對傳熱特性的影響

研究結(jié)果表明，構(gòu)成圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是不同的。Monard[2]認(rèn)為圓環(huán)形通道內(nèi)外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的不同是由環(huán)隙中工質(zhì)流速分布的非對稱性造成的。在圓形通道中，最大流速出現(xiàn)在管中心處，而在圓環(huán)形通道中最大流速點(diǎn)相對靠近內(nèi)壁面。使工質(zhì)在內(nèi)壁面上產(chǎn)生的剪切力大于在外壁面上的剪切力。

根據(jù)動(dòng)量與能量傳遞類似率[3]，可得內(nèi)外壁面的傳熱系數(shù)的比值為：

式中：

di— 環(huán)道內(nèi)壁面直徑/mm；

do— 環(huán)道外壁面直徑/mm。

本實(shí)驗(yàn)殼程圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的直徑分別為38 mm和52 mm，則其直徑比do/di近似為1.37；管程圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的直徑分別為22 mm和30 mm，則其直徑比do/di近似為1.36。將這兩個(gè)直徑比do/di分別帶入式(1)中得出它們的修正系數(shù)g（do/di）都近似等于1.11。

本文采用常見的已定準(zhǔn)則的冪指數(shù)形式表達(dá)此時(shí)的對流傳熱關(guān)聯(lián)式。在其他條件相同的條件下，可以將圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的傳熱關(guān)聯(lián)式寫成以下形式，它們分別為：

其中Nu、Re數(shù)中當(dāng)量直徑為流速當(dāng)量直徑。

2.1.2 熱邊界條件對傳熱特性的影響

對于圓環(huán)形通道，根據(jù)熱量傳遞方向的不同將其概括為三種熱邊界條件：①內(nèi)壁傳熱，外壁絕熱；②內(nèi)壁絕熱，外壁傳熱；③兩壁面都傳熱。

在過渡流和湍流流動(dòng)狀態(tài)下，V. Gnielinski對在不同熱邊界條件下的圓環(huán)形通道內(nèi)的傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究，1983年在其著作[4]中給出了目前公認(rèn)的計(jì)算準(zhǔn)確度較高且應(yīng)用較為廣泛的對應(yīng)不同熱邊界條件時(shí)修正系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如下。

熱邊界條件為③時(shí)：

適用范圍：2 300 < Re < 106、全部介質(zhì)。

2.1.3 環(huán)隙尺寸的多變性對傳熱特性的影響

圓環(huán)形通道的環(huán)隙尺寸變化范圍廣，如果以環(huán)隙具體尺寸作為影響因素，研究的工作量將是驚人的。為了找出更合適的研究方法，J Dirker[5]將環(huán)隙的直徑比作為研究對象進(jìn)行了研究，最終得出直徑比是圓環(huán)形通道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，相同直徑比下的圓環(huán)形通道有著相同的傳熱特性。

綜上所述，對于上述提到的由于圓環(huán)形通道的熱邊界條件的復(fù)雜性、環(huán)隙尺寸的多變性以及兩側(cè)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差異性引起的圓環(huán)形通道傳熱特性難以確定的問題，本文總結(jié)并選擇通過自變量為直徑比(do/di)的修正系數(shù)來進(jìn)行處理。在考慮上述三種影響因素的情況下，提出一種新的傳熱關(guān)聯(lián)式的形式為：

熱邊界條件修正系數(shù)f(do/di)的表達(dá)式見表1。

表1 f(do/di)的表達(dá)式

內(nèi)、外壁面修正系數(shù)g(do/di)的表達(dá)式見表2。

表2 g(do/di)的表達(dá)式

適用范圍：5000 < Re < 106、全部介質(zhì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

通過實(shí)驗(yàn)研究了工質(zhì)的流速、溫度及壓力等參數(shù)對圓環(huán)形通道內(nèi)的傳熱特性的影響，擬合得到實(shí)驗(yàn)條件下的傳熱關(guān)聯(lián)式。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 逆流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 傳熱關(guān)聯(lián)式的擬合

雖然本實(shí)驗(yàn)段殼程工質(zhì)與外界有換熱，但其與冷熱工質(zhì)間的傳熱量相比非常少，可以忽略。因此殼程的傳熱關(guān)聯(lián)式應(yīng)選取熱邊界條件為①時(shí)的內(nèi)壁面?zhèn)鳠彡P(guān)聯(lián)式，即：

由于管程圓環(huán)形通道內(nèi)工質(zhì)是通過通道外壁面單方向的傳熱，管程的傳熱關(guān)聯(lián)式應(yīng)選取熱邊界條件為②時(shí)的內(nèi)壁面?zhèn)鳠彡P(guān)聯(lián)式，即：

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式（8）、（9）建立聯(lián)系，找出使偏差最小時(shí)參數(shù)C、m及n的值，這些值就是關(guān)聯(lián)式的最優(yōu)參數(shù)，這樣就擬合出了最佳的傳熱關(guān)聯(lián)式。

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體為空氣時(shí)，對于指數(shù)n的取值范圍基本在0.3 ~ 0.4之間，并且有學(xué)者推薦n取1/3[6]；本文取指數(shù)n的值為1/3。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的擬合結(jié)果獲得的環(huán)隙外壁面和內(nèi)壁面的傳熱關(guān)聯(lián)式分別為：

該式的適用范圍為：7×103< Re < 5×104，介質(zhì)為空氣。

3 結(jié)語

本文對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進(jìn)行了分析，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得了內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱實(shí)驗(yàn)段的傳熱關(guān)聯(lián)式，得出的主要結(jié)論如下：

1）熱邊界條件的復(fù)雜性、通道尺寸的多變性以及通道內(nèi)外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差異性是圓環(huán)形通道傳熱特性的主要影響因素。本文結(jié)合上述三種影響因素及現(xiàn)有的研究成果，提出了針對圓環(huán)形通道傳熱特性的一種新的傳熱關(guān)聯(lián)式的形式。

2）實(shí)驗(yàn)研究了內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器中實(shí)驗(yàn)段工質(zhì)溫度、壓力、流速以及流向?qū)鳠崽匦缘挠绊懀@得了實(shí)驗(yàn)工況下的傳熱關(guān)聯(lián)式；對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的設(shè)計(jì)及在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用具有重要的意義。