應(yīng)用于氣固兩相流環(huán)境的三維管綜合性能研究

莫 遜, 張麗芳, 劉世杰, 涂愛(ài)民, 朱冬生

應(yīng)用于氣固兩相流環(huán)境的三維管綜合性能研究

莫 遜1,2,3, 張麗芳4, 劉世杰1,2,3, 涂愛(ài)民1,2,3, 朱冬生1,2,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所, 廣東 廣州 510640; 2. 中科院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640;3. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640;4. 大冶斯瑞爾換熱器有限公司, 湖北 大冶 435000)

三維管高效換熱元件在單相流中具有優(yōu)秀的性能。為了研究三維管高效換熱元件在氣固兩相流介質(zhì)中的性能，對(duì)由4種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三維管換熱器進(jìn)行了測(cè)試分析?；诓煌木C合性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)其傳熱強(qiáng)化性能進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：三維管截面的長(zhǎng)軸與短軸的比值對(duì)其傳熱性能以及流動(dòng)阻力有重要的影響，并可通過(guò)比較其綜合性能獲得一個(gè)合理范圍。在4種三維管的綜合性能分析結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)Ⅰ型的綜合性能因子o-Ⅰ表現(xiàn)最好，達(dá)到了強(qiáng)化的目的，為三維管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

強(qiáng)化管；三維管；傳熱；綜合性能評(píng)價(jià)方法

1 前言

換熱器的性能受傳熱性能、流動(dòng)阻力、抗磨和抗結(jié)垢等因素的影響，其中傳熱性能和阻力特性是理論研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)最為重要的2個(gè)因素。三維管作為近十幾年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的強(qiáng)化換熱元件，其在單相介質(zhì)的換熱特性和阻力特性已經(jīng)得到充分研究，但對(duì)其在氣固兩相流的綜合性能研究相對(duì)較少，且?guī)缀鯖](méi)有對(duì)其采用多種性能評(píng)價(jià)方法的研究。

為了掌握三維管應(yīng)用于加熱設(shè)備的傳熱綜合性能，深入研究三維管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳熱性能及阻力特性的影響，學(xué)者對(duì)三維管應(yīng)用于各領(lǐng)域進(jìn)行了研究。如Yin等[1-2]對(duì)制冷領(lǐng)域的三維管蒸發(fā)器及冷凝器進(jìn)行的研究，發(fā)現(xiàn)三維管蒸發(fā)器及冷凝器對(duì)制冷機(jī)組的能效比(coefficient of performance，COP)產(chǎn)生積極的影響。Li等[3-5]對(duì)三維管管外空氣橫向沖刷管束的換熱性能進(jìn)行研究，并得出三維管換熱效果比光管好的結(jié)論。莫遜等[6-8]對(duì)三維管應(yīng)用于管殼式換熱器及煙氣換熱器等類(lèi)型換熱器的綜合傳熱性能及規(guī)律進(jìn)行分析，得出在幾種強(qiáng)化管中，三維管的綜合性能最好。楊蕾等[9]以水與蒸汽作為熱交換介質(zhì)對(duì)三維管的綜合性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低水流速的三維管優(yōu)勢(shì)明顯，Yu等[10]對(duì)三維管與線(xiàn)圈組合的換熱元件進(jìn)行研究，表明這種組合換熱元件比三維管效率高，Dong等[11]通過(guò)研究三維管應(yīng)用于熱油介質(zhì)的傳熱特性，并得出傳熱關(guān)聯(lián)式。

從上述大量的三維管換熱元件的研究結(jié)果看，對(duì)其在氣固兩相流中的綜合性能研究甚少，因此本研究針對(duì)三維管應(yīng)用于氣固兩相流的綜合性能，為三維管的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論支持。

2 實(shí)驗(yàn)(樣機(jī)與方法)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與儀器

2.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示，以冷空氣/蒸汽作為樣機(jī)熱交換的工質(zhì)。冷空氣走管外，蒸汽走管內(nèi)。冷空氣在鼓風(fēng)機(jī)的增壓下與蒸汽呈逆流模式順著管外通過(guò)樣機(jī)，并在空氣中加入粉塵來(lái)模擬垃圾電廠(chǎng)的實(shí)際工況，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，電廠(chǎng)實(shí)際粉塵顆粒的粒徑范圍為1～100 μm，其中25 μm的粉塵占80% 左右，由此采用平均粒徑25 μm的粉塵作為模擬工況；由燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的蒸汽與冷空氣呈逆流模式，并順著管內(nèi)通過(guò)樣機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻鼓風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸汽調(diào)節(jié)閥來(lái)分別改變空氣與蒸汽的流量，待三維管樣機(jī)每一種工況參數(shù)穩(wěn)定后，記錄其管內(nèi)/外介質(zhì)的溫度、流量和壓力等參數(shù)，通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三維管在不同工況下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究其綜合傳熱性能的變化規(guī)律。

圖1 換熱器測(cè)試系統(tǒng)流程圖

1. test prototype I 2. test prototype Ⅱ 3. temperature sensor 4. pressure transmitters 5. control valve 6. powder filling hopper 7. vortex flowmeter 8. Blower 9. gas-fired boiler 10. booster pump 11. steam condenser

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器儀表

實(shí)驗(yàn)所用儀器儀表見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用儀器儀表

2.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)共有5臺(tái)，其外形尺寸均保持一致，樣機(jī)的換熱元件分別采用不同結(jié)構(gòu)尺寸的三維管和光管，并且三維管與光管都由材料為Q235、規(guī)格為32 mm×2 mm×1 500 mm的基管加工而成。它們組成的管束的橫向和縱向管間距相同。在測(cè)試時(shí)可以測(cè)試2種換熱元件的樣機(jī)來(lái)減少測(cè)試的工作量。樣機(jī)及換熱元件的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)如圖2、3及表2所示：

圖2 換熱器測(cè)試樣機(jī)

圖3 幾種三維管外形結(jié)構(gòu)示意圖

表2 三維管與光管的主要外形參數(shù)及面積

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 換熱與阻力特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理辦法

換熱器的主要性能有換熱管的努塞爾數(shù)和換熱管的阻力系數(shù)。當(dāng)換熱管的越大，越小，其綜合性能越好，反之越差。本研究重點(diǎn)是三維管的管外性能，因此，通過(guò)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論公式，間接求解出o和o這2個(gè)參數(shù)。

在換熱器中，管外對(duì)流換熱系數(shù)o是影響其傳熱性能的主要參數(shù)，但是在工程計(jì)算中常用平均對(duì)流系數(shù)代替管外對(duì)流換熱系數(shù)。根據(jù)牛頓冷卻定律[12]，可求解出o，其處理辦法如下：

三維管管內(nèi)流體是飽和蒸汽屬于相變冷凝換熱，管外是空氣與粉塵顆粒的混合氣固兩相流，屬于非相變對(duì)流換熱。由于冷凝換熱系數(shù)非常大，因此其壁溫w無(wú)限接近飽和蒸汽溫度vapour，根據(jù)式(1)、(2)和管外空氣平均溫度`o與蒸汽溫度vapour，可求出管外的對(duì)流換熱系數(shù)如下：

再根據(jù)Dittus-Boelter equation關(guān)聯(lián)式[13]，可求解出

根據(jù)圓形直管阻力引起能量損失的范寧(Fanning)公式[14-15]：

由式(5)求解出：

3.2 換熱器綜合性能評(píng)價(jià)方法

很多研究發(fā)現(xiàn)，凡是能強(qiáng)化單相介質(zhì)對(duì)流傳熱的方法都不可避免引起流動(dòng)阻力的增加，因此，對(duì)強(qiáng)化換熱方式或者強(qiáng)化換熱元件的綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮傳熱效果、流動(dòng)阻力、成本、運(yùn)行費(fèi)用、緊湊性和換熱面積的有效性等因素。常用的幾種綜合性能評(píng)價(jià)方法有：傳熱效率評(píng)價(jià)、消耗功率評(píng)價(jià)、傳熱與消耗功率綜合評(píng)價(jià)、縱向比較評(píng)價(jià)、管束緊湊性品質(zhì)評(píng)價(jià)和管束換熱面積品質(zhì)評(píng)價(jià)等。

(1) 傳熱效率評(píng)價(jià)方法[16]。換熱元件的換熱系數(shù)和換熱量是表示其換熱能力的指標(biāo)，在早期的強(qiáng)化換熱中，如研究者只研究換熱系數(shù)提高的幅度，可采用/￠作為評(píng)價(jià)換熱元件性能的指標(biāo)。

(2) 消耗功率評(píng)價(jià)方法[16]。換熱元件的流動(dòng)阻力是表示其泵的消耗功率的指標(biāo)，如研究者只研究如何降低換熱元件的能耗，通常采用/￠作為換熱元件性能的指標(biāo)。

(3) 傳熱與消耗功率綜合評(píng)價(jià)方法[17]。換熱元件同時(shí)在傳熱和阻力的作用下其綜合表現(xiàn)指標(biāo)，由o/o作為換熱元件性能的指標(biāo)。

(4) 縱向比較評(píng)價(jià)方法[18]。Webb提出了傳熱表面縱向比較(即performance evaluation criteria，PEC)法，它的含義是換熱元件消耗泵的輸送功率相同的條件下比較其換熱量的大小。PEC法的綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)用表示。該方法獲得廣泛認(rèn)可，陶文銓等[19]、顧維藻等[20]對(duì)該理論進(jìn)一步分析及應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

(5) 管束緊湊性品質(zhì)評(píng)價(jià)方法[21]。Webb還提出管束緊湊性品質(zhì)評(píng)價(jià)方法。其含義是在相同的單位體積流體輸運(yùn)功耗oA下比較單位體積換熱量Q，Q越高說(shuō)明管束的緊湊性越好。其表達(dá)式如下：

(6) 管束換熱面積品質(zhì)評(píng)價(jià)方法[22]。Kays等提出管束換熱面積品質(zhì)評(píng)價(jià)方法，其含義是在相同單位換熱面積流體運(yùn)輸功耗oA下比較對(duì)流換熱系數(shù)o，o越高表示該結(jié)構(gòu)在相同的換熱量和流體運(yùn)輸功耗下所需的換熱面積越小。其中o如式(3)所示，單位換熱面積流體運(yùn)輸功耗表達(dá)式如下：

3.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定分析

由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)的相對(duì)準(zhǔn)確是實(shí)驗(yàn)研究的基本要求，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定分析是實(shí)驗(yàn)研究不可缺少一部分工作。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差是由于儀器儀表本身的誤差造成的，它與間接測(cè)量和直接測(cè)量的誤差有關(guān)，因此系統(tǒng)誤差分析就是對(duì)它們的分析。間接測(cè)量值的誤差不僅與直接測(cè)量值1,2,…,x的誤差有關(guān)，兩者之間還存在如下函數(shù)關(guān)系[23]。

根據(jù)誤差傳遞理論，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，采用二次方公式進(jìn)行誤差傳遞計(jì)算。令Δ1, Δ2,…, Δx分別表示直接測(cè)量值1,2,…,x的絕對(duì)誤差，Δ為由Δ1, Δ2,…, Δx引起的的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，則有如下關(guān)系式：

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中造成的直接測(cè)量誤差主要是由測(cè)量?jī)x器的精度引起的，如表3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的溫度傳感器、差壓變送器和渦節(jié)流量計(jì)等測(cè)量?jī)x器固有的測(cè)量誤差。將儀器固有的測(cè)量誤差及測(cè)量數(shù)據(jù)代入式(10)～(11)，可求出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。如表4所示為溫度、壓力、體積流量以及熱量等的相對(duì)誤差，結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性很高。

表3 測(cè)量?jī)x器的使用范圍及精度

表4 換熱元件的測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維管及圓管的性能比較

本實(shí)驗(yàn)中的4種三維管都是用基管為32 mm×2 mm加工變形而成，主要目的是通過(guò)長(zhǎng)軸1、短軸2、螺距等3個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)間接研究離心力和扭轉(zhuǎn)力對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，制備好的氣固兩相流沿著三維管的軸向流動(dòng)，受到其特殊外形結(jié)構(gòu)影響的離心力和扭轉(zhuǎn)力，強(qiáng)化了氣固兩相流與蒸汽的熱交換，提高了氣固兩相流側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)。同理，流動(dòng)能量損失也由于外形結(jié)構(gòu)的影響較未變形的光管有所提高。隨著雷諾數(shù)的增加，4種三維管與光管的努塞爾數(shù)o變化規(guī)律如圖4(a)所示，在換熱性能方面表現(xiàn)出隨著橫截面特性參數(shù)1/2增大(當(dāng)1=2時(shí)，為圓管)，努塞爾數(shù)得到相應(yīng)的提升，并且隨著雷諾數(shù)的增大而增大。總體表現(xiàn)為：o-Ⅰ>o-Ⅱ>o-Ⅲ>o-Ⅳ>o-S，其中I型的o在強(qiáng)化管中的表現(xiàn)最好，IV型的o表現(xiàn)最差。最大差距處，I型比IV型提高了86%，比光管提高了97%。說(shuō)明三維管的橫截面特性參數(shù)的1/2越大，其強(qiáng)化效果越明顯。由圖4(b)可見(jiàn)，阻力性能隨著1/2的增大，換熱元件的阻力系數(shù)o也相應(yīng)增大，并且隨著雷諾數(shù)的增大而減小?？傮w表現(xiàn)為：o-Ⅰ>o-Ⅱ>o-Ⅲ>o-Ⅳ>oS￠，其中I型的阻力系數(shù)最大，IV型的阻力系數(shù)最小，最大差距處的I型比IV型增加了229.12%，比光管增加了254.25%。說(shuō)明在強(qiáng)化效果明顯的情況下，它的阻力損失也會(huì)隨之加劇。因此，圖4只能反映換熱元件的換熱特性和阻力特性趨勢(shì)走向，無(wú)法判斷強(qiáng)化換熱元件是否具有工程價(jià)值。

圖4 光管、三維管的管外Nuo和fo分別隨Reo的變化的曲線(xiàn)

4.2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維管的性能評(píng)價(jià)分析

為了更客觀地分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維管性能，采用了目前常用的幾種評(píng)價(jià)辦法分析其性能變化規(guī)律，如圖5(a)是采用了“傳熱效率評(píng)價(jià)方法”后的曲線(xiàn)圖。該方法是以光管為基準(zhǔn)，用各強(qiáng)化管努塞爾數(shù)與光管努塞爾數(shù)的比值表示換熱元件的強(qiáng)化程度。從o-(o/￠o)曲線(xiàn)來(lái)看，o隨著雷諾數(shù)o的增大而增大，但增大幅度不大，斜率很小。說(shuō)明在相同的流動(dòng)條件下，雷諾數(shù)o的增大對(duì)三維管與光管的換熱性能差距變化不大。在相同的雷諾數(shù)條件下，各強(qiáng)化管換熱器的o/￠o表現(xiàn)規(guī)律為：o-Ⅰ/￠o>o-Ⅱ/￠o>o-Ⅲ/￠o>o-Ⅳ/￠o，其中I型強(qiáng)化效果最為明顯，IV型幾乎沒(méi)有起到強(qiáng)化效果。I型是光管的1.98倍，II型是光管的1.53倍，III型是光管的1.27倍。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了三維管的結(jié)構(gòu)參數(shù)1/2是其強(qiáng)化效果重要的影響因素之一。圖5(b)是采用了“消耗功率評(píng)價(jià)方法”后的曲線(xiàn)圖。該方法是以光管為基準(zhǔn)，用各強(qiáng)化管阻力系數(shù)與光管阻力系數(shù)的比值表示換熱元件的流動(dòng)阻力損失程度。從o-(o/o￠)曲線(xiàn)來(lái)看，o/o￠同樣隨著o的增大而增大，其中I型增長(zhǎng)的速率最快，IV型幾乎沒(méi)有變化。說(shuō)明三維管的結(jié)構(gòu)參數(shù)1/2也是阻力系數(shù)o的重要影響因素之一。由于I型三維管的變形很大，所以o越大，o/o￠就越大，而IV型外形接近于圓管，所以o對(duì)o/o￠影響不明顯。在相同的雷諾數(shù)條件下，各強(qiáng)化管的o/o￠表現(xiàn)規(guī)律為o-Ⅰ/o￠>o-Ⅱ/o￠>o-Ⅲ/o￠>o-Ⅳ/o￠。

圖5 三維管管外Nuo/ Nu￠o與fo/fo￠分別隨Reo的變化的曲線(xiàn)

從圖5可見(jiàn)，該結(jié)論只能分析出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三維管的傳熱性能及阻力性能的發(fā)展趨勢(shì)，以及在相同的雷諾數(shù)下它們的2種性能分別呈現(xiàn)出的優(yōu)劣性，而忽略2種性能同時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)綜合性能的影響。

為研究換熱元件的傳熱性能與阻力系數(shù)的關(guān)系，作出了oo曲線(xiàn)關(guān)系如圖6(a)所示。隨著阻力系數(shù)的增大，它們的傳熱效率呈逐步下降趨勢(shì)。在o相同條件下，仍然是I型三維管的o最大，影響因素仍然是三維管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，1/2越大，o越大。隨著o的增大，o先急速降低，然后趨于平緩，說(shuō)明在高流速下，o對(duì)o影響有限，兩者呈相反態(tài)勢(shì)。因此，圖6(a)還不能呈現(xiàn)三維管的綜合性能規(guī)律。

圖6 光管、三維管管外Nuo隨fo的變化曲線(xiàn)，三維管管外Nuo/Nu￠o隨fo/fo￠的變化曲線(xiàn)

為了解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的換熱元件的綜合性能，以光管的傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)作為基準(zhǔn)，對(duì)圖6(a)進(jìn)行優(yōu)化后如圖6(b)所示。根據(jù)文獻(xiàn)[16]所述，通過(guò)點(diǎn)(1,1)的直線(xiàn)是評(píng)價(jià)強(qiáng)化管的綜合性能分界線(xiàn)，該線(xiàn)把軸分成zone1與zone2兩部分，處于zone1區(qū)域的強(qiáng)化元件表示具有比較好的綜合性能。根據(jù)圖6(b)所呈現(xiàn)的情況，4種型號(hào)的三維管都處于zone2，因此它們的綜合性能并沒(méi)有表現(xiàn)出理想情況，并且說(shuō)明換熱元件在強(qiáng)化后的傳熱性能增長(zhǎng)率與阻力增長(zhǎng)率之比為直線(xiàn)的斜率，而且都顯示小于1。斜率所呈現(xiàn)出的規(guī)律為：Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ<Ⅳ，說(shuō)明在4種三維管中I型的綜合性能最好。

圖7是采用Webb和Kays分別提出的“管束緊湊性品質(zhì)評(píng)價(jià)方法”和“管束換熱面積品質(zhì)評(píng)價(jià)方法”做出的曲線(xiàn)圖。從圖7(a)的曲線(xiàn)可以看出，在相同的單位體積流體運(yùn)輸功耗o/A下，其表現(xiàn)規(guī)律為V-Ⅰ>V-Ⅱ>V-Ⅲ>V-Ⅳ>V-S，其中仍然是I型三維管的單位體積換熱量最高，IV型與光管單位體積傳熱量幾乎相同，且較之I型降低約53.3%。這表明I型三維管的緊湊性最好。從圖7(b)的曲線(xiàn)可以看出，在相同單位換熱面積流體運(yùn)輸功耗的o/o下，其規(guī)律與圖7(a)的曲線(xiàn)所呈現(xiàn)出的規(guī)律相近，其中仍然是I型三維管的單位面積的換熱系數(shù)最高，其表現(xiàn)規(guī)律為o-Ⅰ>o-Ⅱ>o-Ⅲ>o-Ⅳ>o-S，說(shuō)明這2種評(píng)價(jià)方法所得出的結(jié)論一致。

圖7 4種換熱管的緊湊性品質(zhì)和換熱面積品質(zhì)評(píng)價(jià)比較

如圖8所示為是分別采用王雙英的“傳熱與消耗功率綜合評(píng)價(jià)方法”和Webb提出個(gè)“傳熱表面縱向比較法”對(duì)4種型號(hào)的三維管進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。從圖8(a)中可看出，o/o隨著o的增大而減小，且代表幾種三維管的曲線(xiàn)的趨勢(shì)及距離非?？拷?，這說(shuō)明雖然改變外形結(jié)構(gòu)參數(shù)1/2能使得三維管傳熱性能提高，但也同時(shí)增加了其流動(dòng)阻力，而且各換熱元件的換熱系數(shù)與流動(dòng)阻力形成的比值相近。其中，I型在4種管型當(dāng)中的性能稍?xún)?yōu)，說(shuō)明1/2越大，綜合性能越好。如圖8(b)所示是根據(jù)Webb提出的“傳熱表面縱向比較法”作出的曲線(xiàn)圖，全面綜合評(píng)價(jià)熱效果、流動(dòng)阻力、成本和運(yùn)行費(fèi)用。從該圖可以看出，從曲線(xiàn)o-o的走向趨勢(shì)來(lái)看，隨著o的增大，4種三維管的綜合性能評(píng)價(jià)因子o變化不大，但是幾乎都處于直線(xiàn)=o=1之上，這說(shuō)明所有型號(hào)的三維管均滿(mǎn)足強(qiáng)化要求。其中I型評(píng)價(jià)值o=1.37表現(xiàn)最為突出，而IV型平均值o=1.02表現(xiàn)最差，幾乎沒(méi)有得到明顯強(qiáng)化。它們所表現(xiàn)的規(guī)律為o-Ⅰ>o-Ⅱ>o-Ⅲ>o-Ⅳ，說(shuō)明1/2越大，綜合性能越好。通過(guò)采用圖8的2種性能綜合評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)論的表達(dá)形式雖然不同，但最后結(jié)果一致。

圖8 三維管管外Nuo/po與ηo分別隨Reo的變化曲線(xiàn)

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析，考察不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維管強(qiáng)化的綜合性能，并采用不同的綜合性能評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)比較，得出如下結(jié)論：

(1) 在同等條件下，雖然各個(gè)評(píng)價(jià)方法呈現(xiàn)的曲線(xiàn)特征及其評(píng)價(jià)指標(biāo)一致，但由于“傳熱表面縱向比較法”所呈現(xiàn)曲線(xiàn)特征容易判斷區(qū)別，干擾因素少，評(píng)價(jià)方法通俗易懂，因此它的綜合性能評(píng)價(jià)辦法的可靠性比較高；

(2) 三維管的結(jié)構(gòu)參數(shù)1/2對(duì)其綜合性能有很大的影響。雖然其傳熱性能與阻力均隨著1/2的增大而增大，但其傳熱性能增長(zhǎng)率比流動(dòng)阻力增長(zhǎng)率高，因此通過(guò)增加1/2值來(lái)強(qiáng)化三維管性能具有很好的可行性；

在4種三維管當(dāng)中，其綜合性能因子表現(xiàn)為：o-I>o-Ⅱ>o-Ⅲ>o-Ⅳ，I型三維管綜合性能最優(yōu)。

A?換熱元件面積，m2`T?工質(zhì)平均溫差，K AF,o?流動(dòng)截面積，m2Tw?管壁溫度，K L1?三維管的長(zhǎng)軸，mmVA?換熱管占用的空間體積，m3 L2?三維管的短軸，mmv?工質(zhì)的流速，m×s-1 C?傳熱周邊長(zhǎng)度，mx?直接測(cè)量值 c?工質(zhì)的比定壓熱容，J×kg-1×K-1Δx?絕對(duì)誤差值 d?光管直徑，mmy?間接測(cè)量值 de?當(dāng)量直徑，mmΔy?標(biāo)準(zhǔn)不確定度 f?流動(dòng)阻力系數(shù)δ?換熱元件壁厚，mm H?三維管的螺距，mmη?換熱器綜合評(píng)價(jià)因子，W×m-2×K-1 k?斜率α?換熱元件對(duì)流換熱系數(shù)，W×m-2×K-1 L?換熱元件長(zhǎng)度，mmΔα?換熱元件對(duì)流換熱系數(shù)絕對(duì)誤差，W×m-2×K-1 le?換熱元件當(dāng)量長(zhǎng)度，mλ?工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W×m-1×K-1 Nu?努塞爾數(shù)ρ?工質(zhì)密度，kg×m-3 DNu?努塞爾數(shù)絕對(duì)誤差上標(biāo) P?流體運(yùn)輸功耗，W￠?光管 p?流動(dòng)阻力損失，Pa下標(biāo) Dp?流動(dòng)阻力損失絕對(duì)誤差，Pa1?進(jìn)口 Q?換熱器的換熱量，W2?出口 DQ?換熱器的換熱量絕對(duì)誤差，Wi?管內(nèi) QV?單位體積換熱量，W×m-3o?管外 qV?工質(zhì)的體積流量，m3×s-1vapour?蒸汽 ΔqV?工質(zhì)的體積流量絕對(duì)誤差，m3×s-1Ⅰ?1號(hào)三維管 Re?雷諾數(shù)Ⅱ?2號(hào)三維管 T?工質(zhì)溫度，KⅢ?3號(hào)三維管 DT?工質(zhì)溫度絕對(duì)誤差，KⅣ?4號(hào)三維管

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Study on comprehensive performance of three-dimensional tube under gas-solid two-phase flow

MO Xun1,2,3, ZHANG Li-fang4, LIU Shi-jie1,2,3, TU Ai-min1,2,3, ZHU Dong-sheng1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;2. Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4.Daye Sreal Heat Exchanger Co. Ltd., Daye 435000, China)

Three-dimensional tubular heat exchanger has excellent heat transfer performance in single-phase flow. Its heat transfer performances in gas-solid two-phase flow were tested and analyzed experimentally with four different structural parameters. Based on different comprehensive performance evaluation methods, the heat transfer enhancement performance was compared. The results showed that the ratio of long axis to short axis of the three-dimensional tube had an important influence on its heat transfer performance and flow resistance. A reasonable ratio could be obtained by comparing its comprehensive performance. The comprehensive performance factoro-Iof type I was the best among four different three-dimensional tubes. The research results could provide beneficial guidance for design and application of the three-dimensional tubular heat exchanger.

enhanced tube; three-dimensionaltube; heat transfer; comprehensive performance evaluation method

TK124

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.03.008

1003-9015(2022)03-0362-09

2021-03-12；

2021-05-19。

廣東省企業(yè)科技特派員專(zhuān)項(xiàng)(GDKTP2021047200)；湖北省支持企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目(2021BAB025)。

莫遜(1983-)，男，廣東廣州人，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所工程師，碩士。

劉世杰，E-mail：liushijie @ms.giec.ac.cn

莫遜, 張麗芳, 劉世杰, 涂愛(ài)民, 朱冬生. 應(yīng)用于氣固兩相流環(huán)境的三維管綜合性能研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2022,36(3): 362-370.

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