畢業(yè)設(shè)計（論文）-高頻焊螺旋翅片熱管換熱器特性的研究.doc

高頻焊螺旋翅片熱管換熱器特性的研究符號說明A 換熱器表面積 米2Ah 換熱器蒸發(fā)段翅片管管外表面積 米2Ac 換熱器冷凝段光管管外表面積 米2 Cp 定壓比熱 千卡/公斤CDo 光管外徑 米Di 熱管內(nèi)徑 米d v 熱管內(nèi)蒸汽通道直徑 米Dev 容積當(dāng)量直徑 米 NFV 流動凈自由容積 米3F 流體阻力系數(shù)Gm 通過最小截面積的最大質(zhì)量流量 公斤/米2時Gc 重力換算系數(shù)gc=1.27108公斤時2h 管外換熱系數(shù) 千卡/米2時Chh 以Ah為基準(zhǔn)的管外換熱系數(shù) 同上hc 以A c為基準(zhǔn)的管外換熱系數(shù) 同上hie 以熱管內(nèi)蒸發(fā)段面積 為基準(zhǔn)的管內(nèi)蒸發(fā)沸騰換熱系數(shù) 同上J 熱的機(jī)械功當(dāng)量 公斤米/千卡Lg 氣流流過的長度 米Nu 努賽爾數(shù)P 鍋爐內(nèi)飽和蒸汽壓公斤/厘 米2pv 熱管內(nèi)蒸汽壓差 同上Q 熱流量 千卡/時Q 熱流密度 千卡/米2時R 熱阻C/W或 千卡/W或米2 C/千卡Reh 傳熱計算雷諾數(shù)Rep 阻力計算雷諾數(shù)R 汽化潛熱 千卡/公斤ST 熱管間距 米SLSL 熱管間距 米T 溫度 Ctw 壁面溫度 Ctf 氣流溫度 Cthi 換熱器熱流體進(jìn)口溫 度 Ctci 換熱器冷流體進(jìn)口溫度 Cthcp換熱器熱流體、出口平均溫度 CTv 熱管內(nèi)蒸汽溫度 Ctm 對數(shù)平均溫度 CU 總傳熱系數(shù) 千卡/米2時CW 氣流速度 米/秒 管壁導(dǎo)熱系數(shù) 千卡/米2時Cl 液體導(dǎo)熱系數(shù) 同上 氣體粘度 公斤/米秒w 壁溫下氣體粘度 同上l液體密度 公斤/米3U管內(nèi)蒸汽密度 同上f翅片效率換熱器效率一、引 言熱管是一種高效傳熱元件，由熱管組成的換熱器，由于其傳熱效率高。阻力損失小，結(jié)構(gòu)緊湊，運行周期長等特點，常作廢熱回收裝置，在國外已獲得廣泛的應(yīng)用。近幾年來，國內(nèi)對熱管和熱管換熱器研究和實用計算公式正在蓬勃興起。除了需要對熱管的單管性能進(jìn)行試驗以外，還必需對熱管換熱器整體性能進(jìn)行研究。尤其在為提高傳熱率而廣泛采用高頻焊接螺旋翅片管作為管殼后，對這種換熱器的整體性能研究更為迫切。本文是對氣流橫掠高頻焊接螺旋翅片管管束的換熱規(guī)律和阻力特性進(jìn)行了實驗研究。通過對四十四個工況下的總傳熱系數(shù)的測定，并分離出管外換熱系數(shù)以及阻力試驗，得出相應(yīng)的計算式。用實驗得出的準(zhǔn)則方程式和計算式，設(shè)計式，設(shè)計了兩臺熱管換熱器，對此兩臺熱管換熱器的性能進(jìn)行了現(xiàn)場實測，實測數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)合得較好。二、傳熱特性的研究1實驗?zāi)Ｐ头治觯簾岷缥芫哂袀鳠崧矢?，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠和價格便宜等優(yōu)點，目前地面應(yīng)用的熱管換熱器很多采用熱虹管作為傳熱元件。熱虹吸管的傳熱模型如圖1所示（1）。熱虹吸管的傳熱過程是由七個傳熱環(huán)節(jié)所組成，即 蒸發(fā)段管外換熱熱阻LC膜圖1 熱虹吸管傳熱模型LaLe蒸發(fā)段管壁導(dǎo)熱熱阻蒸發(fā)段管內(nèi)蒸發(fā)、沸騰熱阻。它是由兩部份組成（1） 過量充液量形成的液池沸騰換熱熱阻，沸騰換熱系數(shù)hp通過量綱分析，可用下式計算 1 (1)（2） 回流冷凝液層流液膜蒸發(fā)換熱熱阻，它可以看成是冷凝換熱熱的逆過程，液膜傳熱系數(shù)h f可用下式計算(2) (2) 蒸汽由蒸發(fā)段流向冷凝段的軸向流動熱阻，這熱阻與其他各項熱阻比較，數(shù)量級小得多3，因此可以忽略不計。冷凝段凝結(jié)換熱熱陰，可根據(jù)Nusselt 冷凝理論求出平均傳熱系數(shù)(3)其中(4)冷凝段管壁導(dǎo)熱熱阻冷凝段管外換熱熱阻上述七個傳熱環(huán)節(jié)構(gòu)成了從高溫?zé)嵩吹降蜏乩湓吹娜總鳠徇^程，這七個傳熱環(huán)節(jié)是一個完整的串聯(lián)熱路如圖2所示，由此可得總熱阻的計算式(5)若忽略蒸汽壓差流動過程的熱阻R4，則（5）式可以寫成R=R1+R2+R3+ R5+ R6+R7 （6）其中R1與R7是管外熱阻，R2，R3，R5與R6是管內(nèi)熱阻圖2熱阻和熱路2.實驗數(shù)學(xué)關(guān)系式的建立今以蒸發(fā)段管外總表面積為基準(zhǔn)，則總傳熱率的方程式為(7)這個方程也是總傳熱系數(shù)U的定義方程?？偀嶙枧c各熱阻之間的關(guān)系可寫成(8) 根據(jù)式（8），等式左邊總傳熱系數(shù)U可以根據(jù)實驗測得的Q、tm和已知的Ah計算出來。等式右邊第二項中的R2與R6， 由于碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化甚微，所以當(dāng)熱管尺寸一定時，R2與R6可以認(rèn)為是常數(shù)。等式右邊的第三項與第四項中，R3可以用式（1）與式（2）進(jìn)行計算，R5可以用式（3）與式（4）進(jìn)行計算，單管試驗表明用式（1）一式（4）計算誤差較小。等式右邊的第六項中hc可以采用大容積沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)驗公式（4）進(jìn)行計算，當(dāng)飽和蒸汽壓在1-40公斤/厘米2時其中p與q均可由實驗測得。等式右邊第一項中的hh是我們所要尋求的量，從傳熱學(xué)知道，氣流橫掠管束時的換熱準(zhǔn)則方程為 (10)(10)式亦可寫成式 (11) 將（11）代入（8）式，經(jīng)整理后可得其中（12）（13）（12）兩邊取對數(shù)（14）如果設(shè)則（14）式可寫成（15）式（15）即為實驗數(shù)學(xué)關(guān)系式，y與x成線性關(guān)系，通過實驗測得四十四對x,y，采用線性回歸的方法，就可以求得A與m，從而求得高頻焊接螺旋翅片管的管外換熱的準(zhǔn)則方程式。3.實驗裝置與方法試驗用的熱管，光管外徑為32.5毫米，翅片高為14.75毫米，翅片間距為6。33毫米，蒸發(fā)段長度為500毫米，冷凝段長度為30毫米，冷凝段為光管，熱管作成無吸液芯的碳鋼-水熱虹吸管。試驗用熱管換熱器由14根熱管組成，按等邊三角形排列，間距sL與sT 為65毫米，共排成9排。由燃油爐產(chǎn)生高溫?zé)煔饨?jīng)配風(fēng)口配入適當(dāng)?shù)目諝夂髾M掠熱管管束的加熱段，再經(jīng)引風(fēng)機(jī)排空。冷水用注水泵連續(xù)地向熱管管束的冷凝段供水，吸熱后變成蒸汽經(jīng)汽水分離及節(jié)流膨脹后進(jìn)入板式冷凝器冷凝成水。煙氣進(jìn)、出口溫度由鎳鉻-鎳硅熱電偶與數(shù)字電壓表示測定。煙氣流量是用笛形管和傾斜式微壓計測量。蒸汽的溫度和壓力用水銀溫度計和壓力表測量，通過節(jié)流膨脹測定的干度，并計量蒸發(fā)率。從公式（11）中可以看出，管外換熱系數(shù)hh是幾何參數(shù)、氣流速度和物性參數(shù)的函數(shù)。在試驗過程中幾何參數(shù)是不變的，而物性參數(shù)、p和在煙氣成份變化很小的情況下主要取決于煙氣的溫度。所以可以認(rèn)為（16）根據(jù)以上分析，試驗時維持某一個煙氣流速和煙氣平均溫度作為一個試驗工況。實驗時煙氣溫度分別選用240C、280C、320C、350C、和380C，煙氣流速是在Reh=6000-14000范圍內(nèi)選取6-9個測點。4.試驗結(jié)果通過44個試驗工況下測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得出y-x的關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中看出有較好的線性關(guān)系。用線性回歸的方法得出的氣流橫掠高頻焊接螺旋翅片管的管外換熱 系數(shù)的準(zhǔn)則方程為 （17）本準(zhǔn)則方程的定性尺寸為光管外徑d o，定性溫度為煙氣平均溫度t f。適用范圍tf=240380C、Ren=600014000。三阻力特性的研究設(shè)計熱管換熱器時，氣流通過換熱器的壓力損失將導(dǎo)致能量損失，直接影響換熱器的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)相似原理管內(nèi)流動的準(zhǔn)則方程式（6）為（18）或 (19) 由在水平管內(nèi)流動壓差與管長成正比，因此(20)最后可以寫成管內(nèi)流動沿程阻力的統(tǒng)一計算式為(21)對于氣流通過換熱器內(nèi)翅片管束時，壓力損失可以認(rèn)為與氣流密度成正比與 容積當(dāng)量直徑成反比。S、L、Jameson(7)提出的經(jīng)驗公式為 (22)并推薦(23)（23）式是特定情況下得出的，對于高頻焊執(zhí)著螺旋翅片管管束叉排的情況下，f與雷諾數(shù)Rep的關(guān)系還需用實驗確定。而在北紊流區(qū)與Rep的關(guān)系一般具有以下形式為了用實驗方法來找出系數(shù)B與指數(shù)n，將（24）式代入（22），經(jīng)整理后得(25)兩邊取對數(shù)后得(26)今設(shè) 則（26）式成為 y=a+bx (27)同樣用所選的44個試驗工況下得出實驗數(shù)據(jù)計算出44組x1，y。用線性回歸的方法得出阻力系數(shù)f與雷諾數(shù)Rep的關(guān)系式(28)度驗所得的r與Rep的關(guān)系表示在圖5上。其中雷諾數(shù)Rep用下式計算 (29) 特 尺寸為Dev，定性溫度為氣流溫度tf，適用范圍為Rep=2400-6000，t f=240C-380C四討論1.實驗精度分析氣流橫掠翅片管管束管外換熱的準(zhǔn)則方程式Nu=0.1370Re+ 0.6338prt的相關(guān)系數(shù)r=0.912,說明線性關(guān)系較好，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.0364。說明按3s取分布范圍，置信區(qū)間為y=a+bx3s即99.7%數(shù)值落在此區(qū)間內(nèi)。氣流橫掠翅片管管束的阻力系數(shù)關(guān)系式 =1.307Rep-0.2206它的相關(guān)系數(shù)r=0.90，說明線性程度仍較好，剩余標(biāo)準(zhǔn)差s=0.0139,取3s為分布范圍則置信區(qū)間為y1=a1+b1x13s說明有99.7%的數(shù)值落在此區(qū)間內(nèi)。2.應(yīng)用范圍本文得出的兩個關(guān)系式，上面已指出了氣流溫度范圍與氣流Re的范圍，除此之外，還受幾何條件的限制，由于我組在設(shè)計每小時回收10萬到60萬千卡熱量的熱管換熱器，普遍采用上述幾何尺寸的熱管與等邊三角形的叉排形式，所以度驗結(jié)果在這種幾何條件下是完全適用的。本文還沒有作管徑、順排、管間距、翅片高與翅片間距等因素的影響。所以對于與本實驗幾何條件不同的熱管換熱器，原則上不能應(yīng)用本文的結(jié)果，但是我們從實際換熱器的測試中發(fā)現(xiàn)，對于幾何條件不同（順排除外）的熱管換熱器本文所得的關(guān)系式也具有良好的參考價值。3.與實測結(jié)果對比用本實驗所得的關(guān)系式分別設(shè)計了兩臺熱管換熱器，一臺是江蘇省如東縣化肥廠的熱管余熱鍋爐，一臺是常州市第四印染廠的熱管空氣預(yù)熱器，其設(shè)計值與實測值對比如下表常州市第四例子染廠熱管空氣預(yù)熱器如東化肥廠熱管余熱鍋爐設(shè)計值QUAP（熱）AP（冷）24825千卡/時15.20 千卡/米2時C17.9mmH2O12.5mmH2O233100千卡/時（按排煙溫度220C30千卡/米2時C33mmH2O實測值QUAP（熱）AP（冷）24082千卡/時14.69千卡/米2時C15.1mmH2O8.3mmH2O163700千卡/時(在煙溫為208C31.82千卡/米2時C40 mmH2O以上兩臺熱管換熱器分別于1982年7月與9月通過了技術(shù)鑒定。4.與其他文獻(xiàn)對比在資料（8）中對翅片管管外換熱系數(shù)推薦的準(zhǔn)則方程是,而本實驗所得的準(zhǔn)則方程是，系數(shù)略低與前者，指數(shù)略高于前者。在資料（9）中推薦了翅片管束阻力系數(shù)的計算式為 ，而資料（7）推薦的計算式為 而本實驗所得的計算式為與前者較為接近。而資料的對比曲線分別表示在圖6與圖7上。這種又羅接近又有差異的情況，本文認(rèn)為是于幾何條件，試驗范圍，試驗方法與測度精度等因素的差異所造成的。5.實驗方法比較氣流橫掠管束的換熱系數(shù)的確定，由于準(zhǔn)確測量壁溫比較困難，一般均采用從總傳熱系數(shù)中將管外換熱系數(shù)分離出來的方法。目前采用的有威爾遜法，修正威爾遜法，等雷諾數(shù)法及逐次逼近法。最近還有用非穩(wěn)態(tài)法測定管外換熱系數(shù)。以上這些方法有的在試驗時控制因素較多，造成實驗條件苛刻。有的數(shù)學(xué)處理比較繁鎖，非穩(wěn)態(tài)一般要采用微處理機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。本文所采用的方法，實驗程序比較簡單，實驗條件容易實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理也不復(fù)雜。6.結(jié)論本文所得出的氣流橫掠高頻焊接螺旋翅片管管外換熱的準(zhǔn)則方程在氣流溫度從240。-380。范圍內(nèi)，Re在6000-14000范圍內(nèi)，幾何條件與試驗用管束相似的情況下可以適用，以滿足工業(yè)用熱管換熱器設(shè)計的精度要求。對于一般的叉排的熱管換熱器的設(shè)計具有參考價值。同樣所得出的阻力系數(shù)的方程式f=1.307Re-0.2206在氣流溫度自240-380和雷諾數(shù)Re在2400-6000范圍內(nèi)均可適用。1M.shiraishi “Investigation of Heat Transfer Characteristics of a Two-phase Closed Thermosyphon” 4 th International Heat Pipe Conference 1981.2.S.W.Chi “Heat Pipe Theory and Practice”McGraw-Hill 19763.P.D.D.unn, D.A.Reay “Heat pipe