傳熱換熱器的傳熱與阻力研究范文

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《熱能動力工程雜志》2014年第三期

1實驗系統介紹

1．1實驗裝置傳熱與阻力特性實驗在具有自主專利技術的電場/脈動流混合強化傳熱換熱器實驗臺上進行［11］。實驗系統布置如圖1所示，主要由熱水循環、冷水循環、高壓發生器、脈動流發生器、換熱器本體、采集測試等系統組成。實驗以水為工質，熱水工質由熱水泵驅動從熱水恒溫水箱進入換熱器管程，經循環管路回流至熱水恒溫水箱，熱水恒溫水箱內置加熱電阻絲對其進行加熱保溫;冷水工質由冷水泵驅動從冷水箱流入換熱器的殼程，在換熱器本體換熱后經回路流回至冷水箱。管殼程入口處安裝有電磁流量計，顯示由變頻器調節的管殼程流量值。在換熱器本體的管程和殼程的出入口分別布置溫度變送器，管程出入口布置壓力變送器，監測溫度與壓力值。圖1實驗裝置示意圖Fig．1Schematicdrawingofthetestdevice電極布置如圖2(a)所示，線電極置于換熱管軸線位置，并貫穿換熱管，管程和殼程分別接地，電極線一端與高壓電發生器相連，另一端絕緣密封。線電極在換熱管管口處的絕緣密封裝置如圖2(b)所示，換熱管兩端管口外周加工有螺紋，配合2個管口螺母使用;端子為金屬圓棒，端子外圓周上加工有螺紋與壓緊螺母配合，端子與電極相連;電極通過電極固定塞固定，電極固定塞為絕緣材質;將電極引出端子穿入電極固定塞孔中，壓緊螺母可將電極固定于換熱管中，最后通過管口螺母可將換熱管管口密封。高壓電源為直流電，選用高壓直流電場發生設備，輸出電壓為0－40kV，操作電流1mA，由于電流很小，電場完全屏蔽，在工程應用中安全且可行。1．2實驗條件在實驗過程中脈動流發生器植入于換熱器管程入口端，使管程內流體呈現出脈動流動形式，進而增強管內流體的擾動，實驗中殼程流量保持不變，設為5．0m3/h，管程流量(因脈動流作用，管程流量指管內時均流量，下同)選取5組，分別設定為0．1、0．2、0．3、0．4和0．5m3/h，以此考察不同管內流量下的換熱與阻力特性。高壓電極線布置于換熱管中心，接通高壓電后，使得換熱管內的流體處于高壓電場作用下，實驗中設定不同的電極電壓，分別為10、20、30和40kV。在每一組管程流量條件下，均開展不同脈動頻率(0、1、2和3Hz)和不同電極電壓的混合強化傳熱和阻力性能實驗，頻率f=0時為穩態流。表1為實驗相關參數。

2實驗內容

2．1傳熱計算在不同脈動流參數和電壓參數下進行EHD/脈動流的混合強化傳熱實驗，通過計算換熱器的總傳熱系數來衡量這種混合強化傳熱方式的換熱效果。在實驗中，換熱器保溫良好，近似于無熱量損失，單位時間內管程放熱量等于殼程吸熱量，當管殼程熱冷流體的換熱達到平衡后，由布置于管程和殼程出入口的溫度變送器測出實時的溫度值，由傳熱學公式換算出總傳熱系數α。

2．2阻力計算阻力實驗是考察在脈動流和EHD強化傳熱措施帶來的強化效果的同時，在不同的脈動流參數和電壓參數下，換熱管內的阻力損失情況。由布置于換熱管進出口處的壓力變送器測得換熱管內的壓降值，進而衡量換熱過程中的阻力損失。

3實驗結果

當實驗條件達到預設值，且換熱穩定后，由溫度和壓力變送器測得管殼程出口溫度值和管程進出口壓力值，并換算出壓降，限于篇幅，僅列出q=0．1m3/h時的數據，如表2所示。

3．1換熱特性分析為了說明EHD/脈動流混合強化傳熱換熱器的傳熱特性，現討論不同電壓和不同脈動流頻率下的傳熱效果，圖3給出的是同時在換熱管中施加電場和脈動流兩種強化手段，管程入口流量q為0．1－0．4m3/h，外加電場0－40kV，換熱管內脈動流體的脈動頻率f為1、2、3Hz，脈動幅度A為1，管內傳熱系數α與電極電壓U的關系。由圖中曲線可知，在本次實驗范圍內，單獨脈動流作用時，α增加并不多，隨著脈動流頻率f的增加，α增長僅約0．05倍，表明在管內雷諾數1418＜Re＜5722之間時，脈動流單獨作用時強化效果并不明顯。由圖3(a)－圖3(d)可知，電場單獨強化作用時，隨著電壓的增大，傳熱系數α有一定幅度的增長，且α在低電壓區域(0－25kV)增長緩慢，在高電壓區域(25－35kV)增長較快，α最大提高約0．12倍(q=0．1m3/h)，這表明施加電場能夠起到強化傳熱的作用，這與文獻［14］的結論相一致。分析原因，當外加電場電壓越高，流體的離子化程度越高，流場中自由電荷增多，由此通過自由電荷產生的庫倫力也就越大，管內流體在流動過程中受到庫倫力的徑向擾動亦增強，故傳熱系數α增大;在不同的管內流量情況下(0．1－0．4m3/h)，α增長呈現出相似的趨勢，流量越大，α提高越多，各流量狀態下，在高電壓區域(25－35kV)增長較快，超過這個電壓值以后，α無明顯增長趨勢，表明當管內雷諾數1418＜Re＜5722時，流體在電壓35＜U＜40kV時離子化程度已經達到飽和狀態，其強化傳熱作用已經達到極限，即使再繼續增加電壓，其離子化程度也不會增大。由圖3(a)－圖3(d)還可見，EHD和脈動流同時作用下，EHD和脈動流具有一定的復合作用，脈動流頻率f對有電場條件下的對流換熱有較大的影響，當電壓U＞30kV，f越大，相同電場強度下管程傳熱系數α越大，α最大為820．8W"(m2•K)－1，α最大提高約0．25倍(q=0．1m3•h－1)，這表明相比于單獨電場強化，EHD/脈動流混合強化作用對傳熱效果有進一步提升的作用，該現象說明了脈動流本身對流體的傳熱效果影響不大，但在加入電場以后，EHD和脈動流混合作用有助于大幅度提高傳熱系數，筆者認為，這種強化傳熱的增益主要是由于在電場的基礎上加入脈動流后，電場、流場和熱場達到了一種協同耦合作用，三場的相互作用使得速度場與溫度場的協同在此工況下達到了較高的程度，進而換熱效果得到增強。

3．2阻力特性分析混合強化傳熱換熱器換熱管內的阻力系數隨雷諾數的變化如圖4(a)－圖4(b)所示。由圖可知，在EHD與脈動流同時作用下，隨著Re的增大，λ逐漸降低，并且在相同雷諾數條件下，脈動流強化措施情形下的阻力系數要明顯高于無脈動情況;在相同雷諾數條件下，同頻率工況時，電壓的增大與否，對阻力系數的改變并不明顯，說明在混合強化傳熱過程中，阻力損耗主要來源于脈動流的作用，而電場對阻力系數的影響較小;在本實驗所研究的雷諾數范圍內，混合強化傳熱下的阻力系數較無強化措施下的工況增大了150%－300%，這說明在混合強化傳熱中，在電場的基礎上加入脈動流，脈動流起到輔助強化傳熱的作用，并以阻力損失增加為代價。

4結論

通過實驗研究對以水為工質的單管換熱器在EHD/脈動流復合作用下的對流換熱效果和阻力特性進行了研究，研究結果表明:(1)管程脈動流單獨作用，同一流量條件下，脈動頻率增加時傳熱系數無明顯變化，即脈動流單獨作用對圓管對流換熱強化作用不顯著。(2)EHD單獨作用能顯著強化對流換熱，電相對較小時，傳熱系數α增長緩慢，當電壓U＞30kV，α較快增長，但隨著電壓的繼續增加漸趨平緩，相比于無強化措施，單獨電場強化條件下，α最大提高約0．12倍。(3)脈動流和EHD具有一定的復合作用，脈動頻率f對有電場強化條件下的傳熱系數有較大影響，尤其是當U＞30kV，脈動頻率越大，相同電場強度下管程傳熱系數越大，對應的傳熱系數最大提高約0．25倍。(4)EHD和脈動流混合作用時，隨著雷諾數Re的增大，阻力系數λ逐漸降低，并且在相同的Re情況下，脈動強化措施下的λ要明顯高于無脈動情況;在相同雷諾數條件下，同頻率工況時，電壓的增大與否，對阻力系數的改變并不明顯，即阻力損耗主要來源于脈動流的作用，而電場對此的影響較小。

作者：楊俠劉豐良熊卉楊清單位：武漢工程大學機電工程學院