微波浪管傳熱與阻力特性實驗研究

朱 升，孫中寧，范廣銘

（哈爾濱工程大學 核科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

開發(fā)高效換熱元件進而提高換熱設(shè)備性能是強化換熱領(lǐng)域的重要研究課題。迄今為止，已開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的強化換熱元件，如螺紋管、縮放管、針翅管、螺旋扁管等，在石油、化工、能源等領(lǐng)域得到實際應用，并取得了顯著效果。

由于受到加工工藝的限制，這些換熱元件多數(shù)不適于高溫高壓換熱器。微波浪管加工工藝簡單，對傳熱管表面不產(chǎn)生破壞，且具有自清潔和熱應力自補償能力，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝Q熱元件。文獻［1－3］通過數(shù)值計算對不同結(jié)構(gòu)形式微波浪管的傳熱及流動特性進行了分析。結(jié)果顯示，微波浪結(jié)構(gòu)能大幅提高管內(nèi)的傳熱系數(shù)，與相同情況下直管相比，傳熱系數(shù)最高可增加170%，同時摩擦阻力系數(shù)最高僅增加55%。Yang等［4］對正弦波浪管進行了傳熱和壓降特性方面的實驗研究，并對曲率不同的微波浪管進行了對比分析。在實驗范圍內(nèi)，微波浪管的換熱系數(shù)最高可增加100%，流動阻力增加幅度小于40%。從這些研究可知，微波浪管能大幅增加管內(nèi)換熱系數(shù)，而引起的沿程流動阻力增幅相對較小，綜合強化換熱效果明顯，具有較高的實際應用和推廣價值。

目前，對微波浪管的研究還很有限，且主要集中在數(shù)值分析方面，實驗研究較為缺乏。本文將利用實驗方法對小弧度圓弧結(jié)構(gòu)不銹鋼微波浪管內(nèi)的傳熱及流動特性進行研究。

1 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置流程如圖1所示。

圖1 實驗臺流程圖Fig.1 Flow diagram of experiment apparatus

實驗臺主要由熱水回路、冷水回路、測量與控制系統(tǒng)、實驗段等4部分組成。水循環(huán)動力分別由熱循環(huán)水泵和冷循環(huán)水泵提供。

實驗段（圖2）是一小型的套管式換熱器，外部套管由兩段長500mm、寬30mm、高50mm、壁厚3mm的矩形不銹鋼管組合而成，內(nèi)部裝實驗管；實驗段兩端裝有引壓環(huán)，引壓孔間距為1 070mm，通過引壓孔測量實驗管內(nèi)流動壓降。

圖2 實驗段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Scheme of test section

實驗管材質(zhì)為不銹鋼，通過特制的模具加工成圖3所示的微波浪管。圖3中，do為實驗管外徑；di為實驗管內(nèi)徑；L為波長；A為波幅；A／L為波幅－波長比。其結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1。

圖3 微波浪管結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic shape of micro－wavy tube

實驗時，套管內(nèi)走熱水，進口水溫及流量保持不變。實驗管內(nèi)走冷水，進口水溫也保持不變，通過改變冷水流量來實現(xiàn)不同工況下的實驗。在熱水和冷水的進、出口處均裝有銅－康銅鎧裝熱電偶，冷、熱水回路中均裝有渦輪流量計，通過測得的冷水和熱水的進、出口溫度及流量計算出通過實驗管壁的平均對流換熱量。在管路和實驗段外部包裹橡塑保溫層，以減小管路和實驗段的散熱對實驗結(jié)果的影響；在實驗管外壁的6個截面均勻布置了12對鎳鉻－鎳硅熱電偶，由此測得實驗管外壁的平均溫度，進而推算出實驗管內(nèi)壁溫度；通過引壓環(huán)及U型管式壓差計（大流量時采用差壓變送器）測量實驗管內(nèi)流動的阻力壓降。實驗中所用儀表均進行了專門標定。

表1 實驗管結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of test tubes

2 實驗結(jié)果及分析

在實驗段長度一定時，與直管相比，微波浪管實際換熱長度和管內(nèi)流程均有一定的增加，由此引起在相同實驗段內(nèi)，微波浪管的換熱量和管內(nèi)摩擦阻力也相應增加。在評價微波浪管的綜合傳熱性能時，要避免由于上述差異造成的影響，以單位面積的換熱特性和單位長度內(nèi)的流動特性進行對比，即以無量綱參數(shù)Nu及摩擦阻力系數(shù)f為指標。

式中：Δp為阻力壓降；λ為水的導熱系數(shù)；ρ為水的密度；l為流程長度；u為管內(nèi)流速。

實驗管內(nèi)表面換熱系數(shù)h由牛頓冷卻公式計算得出：

式中：Q為對流換熱量；Ai為實驗管內(nèi)表面面積；twi為實驗管內(nèi)壁溫度；tf為管內(nèi)水溫度。

2.1 換熱特性

實驗結(jié)果如圖4所示。與直管相比，微波浪管的傳熱性能有較大幅度的提高，在相同Re時，1＃、2＃、3＃3根微波浪管的Nu分別增加了 28.5% ～111.5%、33.8% ～166.7% 和31.2%～101.4%；且隨著Re的增大，微波浪管Nu增加趨勢平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)折出現(xiàn)，這點與直管Nu隨Re增大的變化情況差別明顯。

在Re≤10 000時，隨著Re的不斷增加，Nu相應平滑增大，與直管相比，在Re＝2 300左 右 時，可 分 別 增 大 111.5%、166.7% 和101.4%。此后，隨著Re的繼續(xù)增大，微波浪管的Nu增大幅度逐漸減小，如圖4a所示。在此范圍內(nèi)，3根微波浪管的傳熱性能關(guān)系為2＃＞1＃＞3＃，且大小關(guān)系始終保持這一順序，這與3根微波浪管的波幅大小順序一致，表明在此范圍內(nèi)，波幅的大小對微波浪管換熱性能起主要作用，增大波幅可提高微波浪管的對流換熱能力。

圖4 各實驗管換熱性能對比Fig.4 Comparison of heat transfer performance of test tubes

隨著Re的進一步增大，3根微波浪管的Nu繼續(xù)保持增長的趨勢，如圖4b所示，但與相同Re下直管的Nu相比，增加的幅度相對較小，3根微波浪管的Nu平均增大幅度分別為28.5%～32.6%、33.8% ～70.6%、31.2% ～61.2%。當Re＝20 000左右時，3根微波浪管的Nu間的大小順序發(fā)生了變化，3＃微波浪管的Nu開始高于1＃微波浪管，并逐漸接近于2＃微波浪管。分析各微波浪管的結(jié)構(gòu)參數(shù)可得出，在Re＞20 000時，波幅對換熱性能的影響相對較小，波長開始成為影響微波浪管的換熱能力的主要因素。

分析微波浪管換熱性能提高的原因，可能有以下3方面：1）微波浪管的特殊結(jié)構(gòu)增強了管內(nèi)流體微團間的摻混作用，使得在較小Re時管內(nèi)流動就進入紊流狀態(tài)，在大Re時增強了流動的紊流程度，使得不同溫度流體微團間的摻混更加充分，進而增強了對流換熱能力；2）流體在微波浪管內(nèi)流動的過程中，在波浪形結(jié)構(gòu)流道的約束下，主流流動方向會發(fā)生周期性的改變，流動方向的周期性變化增強了對管壁的沖刷作用，可減小熱邊界層的厚度，降低管壁與管內(nèi)流體間的換熱熱阻，提高換熱性能；3）流體在流經(jīng)微波浪管的弧形彎道時，在離心力、上游驅(qū)動力及重力的共同作用下會產(chǎn)生垂直于主流流動方向的二次流，二次流的產(chǎn)生會進一步增強流體微團間的摻混及對管壁的沖刷，促進了不同溫度流體間的導熱和壁面與流體間的換熱，強化了管壁與流體間的換熱過程［5］。

在Re＜10 000時，直管內(nèi)的流動尚未進入充分紊流階段，上述3個因素對管內(nèi)流動的影響較大，因此，與直管相比，微波浪管的強化換熱效果明顯；而在大Re時，直管內(nèi)的流動已進入穩(wěn)定的紊流狀態(tài)，流體微團間的摻混已較充分，微波浪結(jié)構(gòu)對管內(nèi)流動的影響減小，故與直管相比，微波浪管的強化換熱效果也相對較弱。

2.2 阻力特性

微波浪管流動特性的實驗結(jié)果如圖5所示。在實驗范圍內(nèi)3根微波浪管的f均高于直管，隨著Re的增加，微波浪管的f曲線未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，表明在實驗范圍內(nèi)微波浪管內(nèi)的流動并未出現(xiàn)像直管內(nèi)流動那樣明顯的流態(tài)變化。在Re＝2 300附近，各微波浪管的f均較直管高出很多，1＃、2＃和3＃微波浪管的f最大分別增加了95.1%、96.3%和67.5%。

Re≤10 000時，各微波浪管的f隨Re的變化趨勢穩(wěn)定，隨著Re的增加，微波浪管的f曲線平滑降低，如圖5a所示。其中1＃、2＃微波浪管的f較為接近，并高于3＃微波浪管，這與3根微波浪管A／L的大小關(guān)系一致，說明在此范圍內(nèi)A／L對f影響顯著。

隨著Re的進一步增大，微波浪管的f增加幅度相對較小，在10 000＜Re＜80 000實驗范圍內(nèi)，各微波浪管的f增加幅度均在20%以內(nèi)，如圖5b所示。在此Re范圍內(nèi)，1＃、3＃微波浪管的f較為接近，并明顯低于2＃微波浪管，與3根微波浪管波幅之間的關(guān)系一致，意味著在Re＞10 000時，波幅是影響微波浪管f的決定性因素。

相同Re時，在波浪形流道的約束作用下，流體在微波浪管內(nèi)的流動狀態(tài)較在直管內(nèi)的流動狀態(tài)復雜得多。流體在微波浪管內(nèi)流動時會發(fā)生流動方向的周期性改變以及產(chǎn)生二次流動，這些因素在增強流體對管壁的沖刷、促進流體微團間的相互摻混進而強化換熱過程的同時，也要消耗驅(qū)動壓頭，致使微波浪管內(nèi)的流動阻力系數(shù)高于直管。

圖5 各實驗管流動特性對比Fig.5 Comparison of resistance characteristics of test tubes

2.3 綜合性能評價

在傳熱面積、流量及流體輸送功率相同的條件下，采用強化管綜合性能評價因子R對各微波浪管的綜合傳熱性能進行評價［6］，即：

式中：下標B代表微波浪管，S代表直管。

微波浪管綜合換熱性能對比示于圖6。由圖6可看出，在實驗范圍內(nèi)，各微波浪管的R均大于1，其中，2＃微波浪管的R最大可達2.23左右，1＃和3＃微波浪管最大可達1.75左右，說明微波浪結(jié)構(gòu)能較大幅度提高換熱管的綜合換熱性能，對進一步提高換熱器性能、提高能源利用率和增加經(jīng)濟效益具有一定的實際意義。

圖6 微波浪管綜合換熱性能對比Fig.6 Comparison of integrated heat transfer performance of micro－wavy tubes

同時，由圖6也可得出，微波浪管的綜合換熱性能隨著Re的變化出現(xiàn)了較大的波動。與直管相比，在不同Re范圍內(nèi)，微波浪管的綜合換熱性能增加幅度差別較大。因此，在工程中應根據(jù)具體工況來確定微波浪管的應用范圍。

3 結(jié)論

本文通過實驗對3種不同結(jié)構(gòu)微波浪管的傳熱及流動特性進行了研究，對微波浪管這一新型強換熱元件的綜合換熱性能有了進一步認識，得出以下結(jié)論。

1）與直管相比，微波浪管能較大幅度地提高對流換熱性能，在Re≤10 000時，1＃、2＃和3＃微波浪管的Nu最大可分別增加111.5%、166.7% 和101.4%；在Re＞10 000時，增加幅度相對較小，可分別增加28.5%～32.6%、33.8%～70.6%和31.2%～61.2%。

2）微波浪管的f在Re≤10 000時增加幅度較大，尤其是在Re＝2 300左右時，可分別增大95.1%、96.3%和67.5%；但當Re＞10 000時，f增幅明顯減小，最大僅分別增加17.8%、18.1%和12.6%。

3）在不同的流動區(qū)間內(nèi)，影響微波浪管傳熱和流動特性的因素不同。在Re≤20 000時，對微波浪管換熱性能起決定性作用的因素是波幅A；Re＞20 000時，起主要作用的因素是波長L；在Re≤10 000時，影響微波浪管流動特性的主要因素是波幅－波長比A／L；Re＞10 000時，對其起決定作用的因素是波幅A。

4）在實驗范圍內(nèi)，與直管相比，各微波浪管的R均明顯大于1，綜合傳熱效能最大可提高1.2倍以上。

［1］YANG R，CHANG S F，WU W.Flow and heat transfer in a curved pipe with periodically varying curvature［J］.Int Com Heat Mass Transfer，2000，27（1）：133－143.

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［5］湛含輝，成浩，劉建文，等.二次流原理［M］.長沙：中南大學出版社，2006.

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