水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究_王嘉程.pdf
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1、第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)()文章编号:();:水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究王嘉程,孙志传,石绮云,项燕龙,李蔚,何燕(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 ;中航南京机电液压工程研究中心,江苏 南京 ;航空机电系统综合航空科技重点实验室,江苏 南京 ;宁波金田管业有限公司,浙江 宁波 ;浙江大学 能源工程学院,浙江 杭州 )摘要:实验研究了制冷剂 在两种管径(和 )的光管和涟漪纹管(管)管内冷凝换热特性,并根据部分工况下的流型对管内冷凝的换热机理进行了分析。实验中控制冷凝饱和温度为,制冷剂流速范围为 (),干度控制在 之间。通过光管实验结果
2、与预测关联式预测的对比表明,使用的单相和冷凝关联式都可以在较小的误差范围内预测实验数据,流型图可以准确的预测光管的流态,证实了实验设施的可靠性。实验结果表明:随着实验中制冷剂质量流速和干度的增加,光管和涟漪纹管的换热系数都随之增加且涟漪纹管的换热系数是光管的 倍。较小的管径可以通过影响制冷剂的流动状态进而提升换热系数来提高传热效率。关键词:冷凝;换热系数;流型;管径中图分类号:文献标志码:引用格式:王嘉程,孙志传,石绮云,等水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究 青岛科技大学学报(自然科学版),():,(),():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王嘉程(),男,硕士研
3、究生 通信联系人 ,(,;,;,;,;,):(),()(),第期王嘉程等:水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究 ,:;在当前换热器广泛应用的大环境下,开发紧凑、高效的换热器是众多行业(如能源、化工、航空航天、制冷)的设计目标。提高换热器的传热性能、使用更小的占地面积和设计更简易的制造方法是空调和制冷行业的主要驱动。目前通常采用主动和被动强化传热方法来提高换热器的性能,因为被动强化传热方法较为简单并且不需要消耗额外的能源,此方法应用更为普遍。扩展表面强化传热技术作为一种基础的被动强化传热技术,可以在强化传热过程中仅产生有限的压力损失,因此广受强化传热技术技术的开发者和研究者青睐。扩展表面强
4、化传热技术的应用可分为二维强化表面和三维强化表面。二维强化表面包括波纹管、带横向或螺旋向微翅片的螺纹管、线圈插件等,这些强化表面可以在流体沿管长方向流动的同时来实现流体周向的二次流动。等在光滑管和具有不同齿数的微翅管内进行了流动沸腾对流冷凝实验(使用制冷剂 )。他们比较了微翅管和光滑管的可视化流型,确定了微翅管在相比光滑管较低的质量流量下发生环形流和间歇流之间的过渡;此外,他们观察到环状流和波状流之间的过渡也在较低的质量流量下发生。在传热特性方面,两种微翅管相似,在蒸发过程中均有效地提高了传热;然而,具有较多齿数的管在冷凝过程中表现出较差的性能。最后,他们对这些换热管的换热系数与预测关联式进行
5、了比较,显示了实验数据和相关预测值的一致性。实验研究了外径为 的微翅片管和光滑管的蒸发传热系数和压降。结果表明,压降和传热系数随着质量流量的增加而增加;此外,随着饱和温度的升高,传热系数和压降降低。同时,他将微翅管的传热强化和压力损失比同光滑管进行了比较,微翅管的传热强化比()比压降损失比()更大。同时,其他几项关于微翅管的研究也表明这种强化表面可以有效的实现换热过程的强化。除了微翅管等二维强化管之外,三维强化管的设计与开发逐渐受到人们的重视。这些强化表面上的明显突起不仅可以产生周向二次流并像二维强化管一样实现扰流效果,而且可以产生径向的二次流。等 设计了一组具有不同几何特征的新型强化传热管,
6、称为系列管。根据他们的测量评估,管将总传热系数提高了 以上,并将污垢的影响降至最低。赵爱国等 实验研究了涟漪纹管的换热性能,并将此强化管同光管进行了对比分析。结果表明,制冷剂质量流速的增大可以导致涟漪纹管冷凝压降和换热系数的增大,并且涟漪纹管的换热系数是同工况下光管换热系数的 到 倍。等 和 等 评估了四种三维强化管内的对流冷凝特性,并将其性能与光管进行了比较。此外,他们讨论了强化传热管的传热机理,包括:传热面积增加、湍流度增加、液膜变薄、流体混合、二次流的产生和边界层的破裂等。考虑两相流动传热中的流型发展非常重要,因为两相 流 传 热 特 性 与 流 型 特 性 密 切 相 关。等 创新性地
7、沿轴线切割一部分管,并将其放置在玻璃管中以观察流动模式。等 通过使用不同直径的玻璃管制成两个不同的试验段(直径:,长度:),研究了空气和水的两相流型。观察发现两者的流型相似,不同之处在于较小的试验段出现分层弹状流,而较大的试验段出现分层流,这是由于液体表观速度不同造成的。当前的实验研究缺乏管径对于强化管换热特性所造成影响的数据,以现今空调中常用的 外径和 外径的铜管为例,两种不同的管径对于制冷剂的流动和换热的影响应该作为换热器设青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第 卷计的一个重要参考。因此,本次研究使用了这两种管径的光管和三维强化管(管)进行了实验,并将换热特性与部分工况下的两相流型
8、进行了机理性的综合分析,以研究管径对强化管换热的影响。实验设置实验系统图为实验装置的示意图。实验系统由两个循环组成,即制冷剂循环和水循环循环。制冷剂循环回路主要通过数字齿轮泵驱动,循环过程中用科里奥利流量计用来精确测量制冷剂流量。同时,循环通路中安装有储液罐和过滤器来保证循环过程的稳定性;水循环则由水浴控制恒温。两个循环在实验段汇合并实现热量交换。实验段入口和 出 口 布 置 了 压 力 和 温 度 测 量 点,使 用 四 线 热电阻和压力变送器测量温度和压力。预热段的作用是通过控制温度来控制制冷剂在实验段入口的状态,预热段通过水循环与制冷剂进行热交换,使制冷剂达到实验状态,水温由 系统自动控
9、制;过冷段通过导热油和制冷剂之间的热传递使制冷剂液化和过冷。图实验装置的示意图 图实验段示意图 实验段为实验系统的主要部分,如图所示,试验段为焊接双管换热器,试验管长,被测强化管安装在内部,套管为光滑铜管内径为。制冷剂在换热管内流动,水在换热管与套管间的环形区域流动,两者形成逆流布置。实验段制冷剂出口设置了可视化装置,利用高速摄像机记录制冷剂出口第期王嘉程等:水平涟漪纹管及光管管内冷凝换热机理实验研究处的制冷剂流型,实验系统及可视化装置的其他相关描述可参见文献 。强化传热管结构及参数实验中所用的换热管皆由铜制成且有效换热长度均为 ,分别为 外径和 外径 的 光 管 和 三 维 强 化 管(涟
10、漪 纹 管)。管内表面和外表面上具有深度为 和 的凹坑,凹坑(间距为)和直径(大坑为 ,小坑为 )参数如图所示。同时图给出了 管的 示意图。图 强化管的几何特征(凹坑的间距和直径)()图 管表面结构 示意图 实验工况使用 作为制冷剂进行冷凝实验,控制饱和温度为,制冷剂流速范围为 (),实验段干度控制在 之间。数据处理实验过程中仪表直接测量的压力、温度等数据可以通过数据采集仪采集并在上位机中记录,实验中调整好工况待各参数稳定后可以进行取点。数据采集仪每 采集一组工况参数,取点时一次选取连续的 个点并取平均值作为一个数据点。实验数据结果要在一周后至少进行一次重复性实验。实验中直接测量的参数要通过计
11、算来得到间接参数,其中用以计算的物性参数来自于 。实验段的总换热量由管内制冷剂进出口的焓差得到:,(),(),。()为计算实验段的热损失,管外侧的换热量由水的温差决定:,。()制冷剂的入口干度()和出口干度()可分别通过预热段和实验段的换热来计算:,(),(),。()其中预热段的换热计算过程为:,(),(),(),()。()换热系数的计算是由热阻分离法和对数平均温差法()计算得到的:(),(),(),(),(),(),()()()()()(),()()。()其中为管外侧的换热系数由 公式 得到,为范宁摩擦因子由 关联式 得到。青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第 卷对于 管,管外为非
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