传热换热器的传热与阻力研究范文

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《热能动力工程杂志》2014年第三期

1实验系统介绍

1．1实验装置传热与阻力特性实验在具有自主专利技术的电场/脉动流混合强化传热换热器实验台上进行［11］。实验系统布置如图1所示，主要由热水循环、冷水循环、高压发生器、脉动流发生器、换热器本体、采集测试等系统组成。实验以水为工质，热水工质由热水泵驱动从热水恒温水箱进入换热器管程，经循环管路回流至热水恒温水箱，热水恒温水箱内置加热电阻丝对其进行加热保温;冷水工质由冷水泵驱动从冷水箱流入换热器的壳程，在换热器本体换热后经回路流回至冷水箱。管壳程入口处安装有电磁流量计，显示由变频器调节的管壳程流量值。在换热器本体的管程和壳程的出入口分别布置温度变送器，管程出入口布置压力变送器，监测温度与压力值。图1实验装置示意图Fig．1Schematicdrawingofthetestdevice电极布置如图2(a)所示，线电极置于换热管轴线位置，并贯穿换热管，管程和壳程分别接地，电极线一端与高压电发生器相连，另一端绝缘密封。线电极在换热管管口处的绝缘密封装置如图2(b)所示，换热管两端管口外周加工有螺纹，配合2个管口螺母使用;端子为金属圆棒，端子外圆周上加工有螺纹与压紧螺母配合，端子与电极相连;电极通过电极固定塞固定，电极固定塞为绝缘材质;将电极引出端子穿入电极固定塞孔中，压紧螺母可将电极固定于换热管中，最后通过管口螺母可将换热管管口密封。高压电源为直流电，选用高压直流电场发生设备，输出电压为0－40kV，操作电流1mA，由于电流很小，电场完全屏蔽，在工程应用中安全且可行。1．2实验条件在实验过程中脉动流发生器植入于换热器管程入口端，使管程内流体呈现出脉动流动形式，进而增强管内流体的扰动，实验中壳程流量保持不变，设为5．0m3/h，管程流量(因脉动流作用，管程流量指管内时均流量，下同)选取5组，分别设定为0．1、0．2、0．3、0．4和0．5m3/h，以此考察不同管内流量下的换热与阻力特性。高压电极线布置于换热管中心，接通高压电后，使得换热管内的流体处于高压电场作用下，实验中设定不同的电极电压，分别为10、20、30和40kV。在每一组管程流量条件下，均开展不同脉动频率(0、1、2和3Hz)和不同电极电压的混合强化传热和阻力性能实验，频率f=0时为稳态流。表1为实验相关参数。

2实验内容

2．1传热计算在不同脉动流参数和电压参数下进行EHD/脉动流的混合强化传热实验，通过计算换热器的总传热系数来衡量这种混合强化传热方式的换热效果。在实验中，换热器保温良好，近似于无热量损失，单位时间内管程放热量等于壳程吸热量，当管壳程热冷流体的换热达到平衡后，由布置于管程和壳程出入口的温度变送器测出实时的温度值，由传热学公式换算出总传热系数α。

2．2阻力计算阻力实验是考察在脉动流和EHD强化传热措施带来的强化效果的同时，在不同的脉动流参数和电压参数下，换热管内的阻力损失情况。由布置于换热管进出口处的压力变送器测得换热管内的压降值，进而衡量换热过程中的阻力损失。

3实验结果

当实验条件达到预设值，且换热稳定后，由温度和压力变送器测得管壳程出口温度值和管程进出口压力值，并换算出压降，限于篇幅，仅列出q=0．1m3/h时的数据，如表2所示。

3．1换热特性分析为了说明EHD/脉动流混合强化传热换热器的传热特性，现讨论不同电压和不同脉动流频率下的传热效果，图3给出的是同时在换热管中施加电场和脉动流两种强化手段，管程入口流量q为0．1－0．4m3/h，外加电场0－40kV，换热管内脉动流体的脉动频率f为1、2、3Hz，脉动幅度A为1，管内传热系数α与电极电压U的关系。由图中曲线可知，在本次实验范围内，单独脉动流作用时，α增加并不多，随着脉动流频率f的增加，α增长仅约0．05倍，表明在管内雷诺数1418＜Re＜5722之间时，脉动流单独作用时强化效果并不明显。由图3(a)－图3(d)可知，电场单独强化作用时，随着电压的增大，传热系数α有一定幅度的增长，且α在低电压区域(0－25kV)增长缓慢，在高电压区域(25－35kV)增长较快，α最大提高约0．12倍(q=0．1m3/h)，这表明施加电场能够起到强化传热的作用，这与文献［14］的结论相一致。分析原因，当外加电场电压越高，流体的离子化程度越高，流场中自由电荷增多，由此通过自由电荷产生的库伦力也就越大，管内流体在流动过程中受到库伦力的径向扰动亦增强，故传热系数α增大;在不同的管内流量情况下(0．1－0．4m3/h)，α增长呈现出相似的趋势，流量越大，α提高越多，各流量状态下，在高电压区域(25－35kV)增长较快，超过这个电压值以后，α无明显增长趋势，表明当管内雷诺数1418＜Re＜5722时，流体在电压35＜U＜40kV时离子化程度已经达到饱和状态，其强化传热作用已经达到极限，即使再继续增加电压，其离子化程度也不会增大。由图3(a)－图3(d)还可见，EHD和脉动流同时作用下，EHD和脉动流具有一定的复合作用，脉动流频率f对有电场条件下的对流换热有较大的影响，当电压U＞30kV，f越大，相同电场强度下管程传热系数α越大，α最大为820．8W"(m2•K)－1，α最大提高约0．25倍(q=0．1m3•h－1)，这表明相比于单独电场强化，EHD/脉动流混合强化作用对传热效果有进一步提升的作用，该现象说明了脉动流本身对流体的传热效果影响不大，但在加入电场以后，EHD和脉动流混合作用有助于大幅度提高传热系数，笔者认为，这种强化传热的增益主要是由于在电场的基础上加入脉动流后，电场、流场和热场达到了一种协同耦合作用，三场的相互作用使得速度场与温度场的协同在此工况下达到了较高的程度，进而换热效果得到增强。

3．2阻力特性分析混合强化传热换热器换热管内的阻力系数随雷诺数的变化如图4(a)－图4(b)所示。由图可知，在EHD与脉动流同时作用下，随着Re的增大，λ逐渐降低，并且在相同雷诺数条件下，脉动流强化措施情形下的阻力系数要明显高于无脉动情况;在相同雷诺数条件下，同频率工况时，电压的增大与否，对阻力系数的改变并不明显，说明在混合强化传热过程中，阻力损耗主要来源于脉动流的作用，而电场对阻力系数的影响较小;在本实验所研究的雷诺数范围内，混合强化传热下的阻力系数较无强化措施下的工况增大了150%－300%，这说明在混合强化传热中，在电场的基础上加入脉动流，脉动流起到辅助强化传热的作用，并以阻力损失增加为代价。

4结论

通过实验研究对以水为工质的单管换热器在EHD/脉动流复合作用下的对流换热效果和阻力特性进行了研究，研究结果表明:(1)管程脉动流单独作用，同一流量条件下，脉动频率增加时传热系数无明显变化，即脉动流单独作用对圆管对流换热强化作用不显著。(2)EHD单独作用能显著强化对流换热，电相对较小时，传热系数α增长缓慢，当电压U＞30kV，α较快增长，但随着电压的继续增加渐趋平缓，相比于无强化措施，单独电场强化条件下，α最大提高约0．12倍。(3)脉动流和EHD具有一定的复合作用，脉动频率f对有电场强化条件下的传热系数有较大影响，尤其是当U＞30kV，脉动频率越大，相同电场强度下管程传热系数越大，对应的传热系数最大提高约0．25倍。(4)EHD和脉动流混合作用时，随着雷诺数Re的增大，阻力系数λ逐渐降低，并且在相同的Re情况下，脉动强化措施下的λ要明显高于无脉动情况;在相同雷诺数条件下，同频率工况时，电压的增大与否，对阻力系数的改变并不明显，即阻力损耗主要来源于脉动流的作用，而电场对此的影响较小。

作者：杨侠刘丰良熊卉杨清单位：武汉工程大学机电工程学院