旋流管管內(nèi)換熱與阻力試驗(yàn)研究

旋流管管內(nèi)換熱與阻力試驗(yàn)研究

主講：許智

指導(dǎo)老師：崔海亭（教授）1主要內(nèi)容3.1概述3.2旋流管結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.3旋流管管型的選擇3.4旋流管內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)研究3.5旋流管內(nèi)阻力試驗(yàn)研究3.6旋流管管內(nèi)對(duì)流換熱

與阻力實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析3.7旋流管的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)螺旋管設(shè)計(jì)2旋流管即異性螺旋槽紋管，是一種優(yōu)良的高效異形強(qiáng)化傳熱原件優(yōu)點(diǎn)：制造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便（機(jī)械滾壓軋制）與阻力增加幅度相比、傳熱能力提高較多3.1概述不銹鋼旋流管33.2旋流管結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

外凹內(nèi)凸的螺旋形槽凹槽剖面呈勺形或“W”形主要參數(shù)：內(nèi)徑Di螺旋槽深度e螺旋槽節(jié)距p螺旋角β。4特點(diǎn)：

管子結(jié)構(gòu)是通過(guò)管子的流體在螺旋槽紋的引導(dǎo)下，產(chǎn)生附加的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，減薄層流底層的厚度，熱阻減小，傳熱得到增強(qiáng)；流體受螺旋狀凸肋的作用，產(chǎn)生邊界層分離，加強(qiáng)流體混合，從而加強(qiáng)對(duì)壁面附近流體的擾動(dòng)，提高近壁區(qū)湍流強(qiáng)度，使管內(nèi)換熱能力得到強(qiáng)化。53.3旋流管管型的選擇內(nèi)徑Di；螺旋槽深度e；螺旋槽節(jié)距p；螺旋角β。表3-1旋流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)P15P16P17P34P3863.4管內(nèi)換熱實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理實(shí)驗(yàn)裝置及原理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理73.4.1實(shí)驗(yàn)裝置及原理83.4.1實(shí)驗(yàn)原理首先用光管對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定由Sieder-Tate（西德?tīng)?泰特)關(guān)聯(lián)式將得到的實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較大部分參數(shù)允許誤差為-7.5%～+9.4%。表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。9實(shí)驗(yàn)原理兩邊取對(duì)數(shù)得根據(jù)相似準(zhǔn)則得出換熱管的準(zhǔn)則方程式:對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流，Gr可以忽略，又因?yàn)榻橘|(zhì)為熱水故Pr的方次關(guān)系為0.4。故可得式子103.4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)管，印管外側(cè)為冷凝放熱，內(nèi)側(cè)為水與壁面對(duì)流換熱，故，即可看做等壁溫邊界條件下管內(nèi)單向流體對(duì)流換熱?！軆?nèi)水的定壓比熱容，kJ/(kg.k)；——介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；——管內(nèi)水的出口溫度，℃——管內(nèi)水的進(jìn)口溫度，℃式中：1.介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)所獲得的熱量：11蒸汽冷凝時(shí)放出的熱量為：式中：——蒸汽的質(zhì)量流量，Kg/s；——飽和水蒸汽的焓，KJ/Kg；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理122.牛頓冷卻公式

式中：——管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2.k）；——實(shí)驗(yàn)管壁面溫度，℃；——實(shí)驗(yàn)管的傳熱面積，m2；——沿實(shí)驗(yàn)管長(zhǎng)平均溫度，℃；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理13求取努塞爾數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理143.4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果15實(shí)驗(yàn)結(jié)果16實(shí)驗(yàn)結(jié)果17實(shí)驗(yàn)結(jié)果18實(shí)驗(yàn)結(jié)果19實(shí)驗(yàn)結(jié)果20實(shí)驗(yàn)結(jié)果21結(jié)論

旋流管管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)較光管有了較大的提高，隨Re的增大，旋流管相對(duì)光管來(lái)說(shuō)其強(qiáng)化效果下降，即旋流管的換熱性能越來(lái)越趨近于光管。223.4.5旋流管管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱Nu數(shù)關(guān)聯(lián)式

在試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)進(jìn)行了多元線(xiàn)性回歸，對(duì)Re數(shù)e/Di、p/Di、Pr數(shù)的關(guān)聯(lián)結(jié)果如下：適用范圍：0.0291<e/Di<0.05;0.4<p/Di<0.68X103<Re<3X104233.4.6關(guān)聯(lián)結(jié)果與試驗(yàn)值的比較243.5旋流管內(nèi)阻力試驗(yàn)研究3.5.1實(shí)驗(yàn)裝置兩點(diǎn)說(shuō)明：1、高位水箱2、壓差計(jì)25高位水箱：實(shí)驗(yàn)管的流體阻力測(cè)量是在冷態(tài)條件下進(jìn)行的，冷水來(lái)自樓頂上的水箱，所以壓力十分穩(wěn)定。26高位水箱：實(shí)驗(yàn)管的流體阻力測(cè)量是在冷態(tài)條件下進(jìn)行的，冷水來(lái)自樓頂上的水箱，所以壓力十分穩(wěn)定。壓力計(jì)：由于實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)管屬短管，故本實(shí)驗(yàn)中使用四氯化碳?jí)翰钣?jì)測(cè)量試驗(yàn)段的壓降。273.5.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理由流體力學(xué)可知，介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)的阻力系數(shù)f

為：28實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，與經(jīng)典的光管布勞修斯公式：

相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大偏差為±6.4%，證明實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)是可靠的。293.5.3阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)管，阻力系數(shù)與Re的關(guān)系曲線(xiàn)：Di=10mm旋流管30阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Di=12mm旋流管31阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Di=14mm旋流管32Di=17mm旋流管Di=17mm旋流管33不同管徑下旋流管的阻力系數(shù)f與Re數(shù)關(guān)系的比較34各試驗(yàn)管的摩擦系數(shù)可通過(guò)最小二乘法擬合成如下的形式：

對(duì)于不同試驗(yàn)管可以得到不同的

Cf、m值，如表3-6所示。353.5.4阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)8根旋流管的阻力系數(shù)?對(duì)Re數(shù)、e/Di、p/Di進(jìn)行回歸分析所得水側(cè)摩擦因子的關(guān)聯(lián)結(jié)果為：適用范圍如下：0.0291<e/Di<0.05;0.4<p/Di<0.68X103<Re<3X10436對(duì)旋流管試驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的比較如下圖：37不同Re數(shù)時(shí)旋流管與光滑管流阻性能的比較38結(jié)論1）在相同Re條件下，各旋流管阻力系數(shù)顯著高于光管的阻力系數(shù)。2）旋流管管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是阻力系數(shù)隨Re數(shù)的增大而減小。3）對(duì)于不同節(jié)距和槽深的旋流管其對(duì)流體產(chǎn)生的影響有較大的差異。4）槽深越深，摩擦系數(shù)隨Re數(shù)的變化的曲線(xiàn)越平坦。39結(jié)論1）在相同Re條件下，各旋流管阻力系數(shù)顯著高于光管的阻力系數(shù)。2）旋流管管內(nèi)流動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是阻力系數(shù)隨Re數(shù)的增大而減小。3）對(duì)于不同節(jié)距和槽深的旋流管其對(duì)流體產(chǎn)生的影響有較大的差異。4）槽深越深，摩擦系數(shù)隨Re數(shù)的變化的曲線(xiàn)越平坦。5）與光管相比隨著Re數(shù)的增加旋流管的阻力降下降較平緩。6）槽深較淺的管子其阻力特性越接近于光管。403.6旋流管管內(nèi)對(duì)流換熱

與阻力實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析3.6.1旋流管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱機(jī)理探討強(qiáng)化傳熱增大近壁處的流體的脈動(dòng)和增大紊流熱擴(kuò)散率減小邊界層厚度413.6.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱與流阻性能的影響（1）槽深e

的影響在節(jié)距P一定的情況下，隨著槽深e的增加，對(duì)流體流動(dòng)的擾動(dòng)程度越來(lái)越大，也就越能破會(huì)邊界層底層，進(jìn)而Nu越來(lái)越大。從而減少了傳熱熱阻，強(qiáng)化了管內(nèi)的傳熱。

思考：那么e是不是越大越好？42隨著e的增大，流體流動(dòng)湍流程度加強(qiáng)，附面層的脫體而形成較大的壓降，是的流動(dòng)阻力大為增加。當(dāng)凸槽高度較低時(shí)，流體只能在近壁處形成較小的渦流。這樣既能使傳熱得以強(qiáng)化，由于這種小渦流引起的附加湍流較小，不會(huì)引起過(guò)大的流動(dòng)阻力。43（2）節(jié)距p的影響44當(dāng)旋流管的間距較小時(shí)，流體有從凸槽上“滑”過(guò)去的趨勢(shì)，不利于改善近壁處的傳熱性能。而當(dāng)P較大時(shí)，渦流沿壁面?zhèn)鞑r(shí)也要消耗能量，從而渦流強(qiáng)度逐漸減小，渦流對(duì)近壁層湍流擾動(dòng)的范圍較小且強(qiáng)度也減弱。當(dāng)槽深一定時(shí)，在相同的Re下，p越小，螺紋越密，對(duì)流動(dòng)阻力的影響也大，則Nu越大。453.7旋流管的優(yōu)化設(shè)計(jì)旋流管的優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱面積明顯減小、提高傳熱效率阻力增加制造安裝運(yùn)行安全46在不同的換熱系統(tǒng)中，采用的強(qiáng)化管的類(lèi)型是不同的，關(guān)于強(qiáng)化換熱元件有3種評(píng)價(jià)指標(biāo)：一是，維持流體的輸送功不變，傳熱負(fù)荷不變，比較換熱器可節(jié)省的傳熱面積；二是，維持換熱器的傳熱面積不變，傳熱負(fù)荷不變，比較可節(jié)約的流體輸送功；三是，維持換熱器的傳熱面積不變，流動(dòng)輸送功不變，比較換熱器可增加的傳熱負(fù)荷。評(píng)價(jià)指標(biāo)：473.7.1強(qiáng)化管的傳熱特性與阻力特性1、Nu

數(shù)

它表征對(duì)流傳熱系數(shù)α與純分子導(dǎo)熱系數(shù)λ/De的相對(duì)大小。對(duì)于充分發(fā)展的層流流動(dòng)換熱，其N(xiāo)u

數(shù)為恒定值。對(duì)于充分發(fā)展的紊流流動(dòng)換熱，Nu

數(shù)取決于Re

數(shù)和Pr

數(shù)。2、St

數(shù)（斯坦登數(shù)）483、傳熱因子j對(duì)于給定的換熱表面，在0.5≤Pr≤10.0的范圍時(shí)，從層流區(qū)到紊流區(qū)，可以不考慮Pr變化對(duì)傳熱特性的影響。49層流時(shí)，摩擦因子f

與Re數(shù)、L/De及流道的幾何形狀有關(guān)。紊流時(shí)，f只是Re數(shù)和換熱表面粗糙度的函數(shù)，而與流道的幾何形狀及L/De的關(guān)系甚微。

4、阻力系數(shù)f阻力系數(shù)f,一般稱(chēng)為范寧阻力系數(shù)，其定義式為：503.7.2強(qiáng)化傳熱管的性能評(píng)價(jià)方法（1）傳熱因子j和阻力系數(shù)f比較法一個(gè)換熱表面的j

值越大，f

越小，則該換熱表面的性能越好。因此，可以j

和f

為基礎(chǔ)，來(lái)比較各種不同強(qiáng)化傳熱表面的性能優(yōu)劣。（2）傳熱－泵耗功率函數(shù)比較法51（3）以性能指標(biāo)或來(lái)評(píng)價(jià)

對(duì)于強(qiáng)化傳熱表面來(lái)說(shuō)，往往是傳熱系數(shù)α和阻力系數(shù)ξ同時(shí)增大,甚至在不少情況下,ξ比α增加得更快，因此必須同時(shí)考慮兩者。故提出了下列性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。理想的強(qiáng)化傳熱表面的之值應(yīng)大于零；越大性能越優(yōu)越。52結(jié)