旋流管管内换热与阻力试验研究

旋流管管内换热与阻力试验研究主讲：许智指导老师：崔海亭（教授）2主要内容◆3.1概述◆3.2旋流管结构及特点◆3.3旋流管管型的选择◆3.4旋流管内阻实验研究◆3.5旋流管内阻力试验研究◆3.6旋流管管内对流换热与阻力实验研究结果分析◆3.7旋流管的优化设计实验螺旋管设计3◆旋流管即异性螺旋槽纹管，是一种优良的高效异形强化传热原件◆优点：制造结构简单，加工方便（机械滚压轧制）与阻力增加幅度相比、传热能力提高较多3.1概述不锈钢旋流管43.2旋流管结构及特点结构：外凹内凸的螺旋形槽凹槽剖面呈勺形或“W”形主要参数：内径Di螺旋槽深度e螺旋槽节距p螺旋角β。5特点：管子结构是通过管子的流体在螺旋槽纹的引导下，产生附加的旋转流动，减薄层流底层的厚度，热阻减小，传热得到增强；流体受螺旋状凸肋的作用，产生边界层分离，加强流体混合，从而加强对壁面附近流体的扰动，提高近壁区湍流强度，使管内换热能力得到强化。63.3旋流管管型的选择内径Di；螺旋槽深度e；螺旋槽节距p；螺旋角β。表3-1旋流管的结构参数P15P16P17P34P3873.4管内换热实验装置及实验数据的处理◆实验装置及原理◆实验数据处理83.4.1实验装置及原理93.4.1实验原理首先用光管对实验台进行标定由Sieder-Tate（西德尔-泰特)关联式将得到的实验值与理论值进行比较大部分参数允许误差为-7.5%～+9.4%。表明实验结果可靠。10实验原理两边取对数得根据相似准则得出换热管的准则方程式:对于强迫对流，Gr可以忽略，又因为介质为热水故Pr的方次关系为0.4。故可得式子113.4.2实验数据的处理本实验的实验管，印管外侧为冷凝放热，内侧为水与壁面对流换热，故，即可看做等壁温边界条件下管内单向流体对流换热。oi——管内水的定压比热容，kJ/(kg.k)；——介质的质量流量，kg/s；1mpc——管内水的出口温度，℃2''ft——管内水的进口温度，℃1'ft式中：WQ1.介质在管内流动所获得的热量：12蒸汽冷凝时放出的热量为：rQ式中：cm——蒸汽的质量流量，Kg/s；''r——饱和水蒸汽的焓，KJ/Kg；实验数据的处理132.牛顿冷却公式式中：——管内对流传热系数，W/（m2.k）；wt——实验管壁面温度，℃；A——实验管的传热面积，m2；2ft——沿实验管长平均温度，℃；实验数据的处理14求取努塞尔数实验数据的处理153.4.4实验结果16实验结果17实验结果18实验结果19实验结果20实验结果21实验结果22结论旋流管管内对流传热系数较光管有了较大的提高，随Re的增大，旋流管相对光管来说其强化效果下降，即旋流管的换热性能越来越趋近于光管。233.4.5旋流管管内强制对流换热Nu数关联式在试验研究及数据处理的基础上，对管内对流传热系数进行了多元线性回归，对Re数e/Di、p/Di、Pr数的关联结果如下：适用范围：0.0291e/Di0.05;0.4p/Di0.68X103Re3X104243.4.6关联结果与试验值的比较253.5旋流管内阻力试验研究3.5.1实验装置两点说明：1、高位水箱2、压差计26高位水箱：实验管的流体阻力测量是在冷态条件下进行的，冷水来自楼顶上的水箱，所以压力十分稳定。27高位水箱：实验管的流体阻力测量是在冷态条件下进行的，冷水来自楼顶上的水箱，所以压力十分稳定。压力计：由于实验采用的实验管属短管，故本实验中使用四氯化碳压差计测量试验段的压降。283.5.2实验数据的处理由流体力学可知，介质在管内流动的阻力系数f为：29实验前对实验台的准确性进行测试，与经典的光管布劳修斯公式：相比，实验结果最大偏差为±6.4%，证明实验台测量数据是可靠的。303.5.3阻力实验结果及分析对于不同的实验管，阻力系数与Re的关系曲线：Di=10mm旋流管31阻力实验结果及分析Di=12mm旋流管32阻力实验结果及分析Di=14mm旋流管33Di=17mm旋流管Di=17mm旋流管34不同管径下旋流管的阻力系数f与Re数关系的比较35各试验管的摩擦系数可通过最小二乘法拟合成如下的形式：对于不同试验管可以得到不同的Cf、m值，如表3-6所示。363.5.4阻力系数关联式对8根旋流管的阻力系数ƒ对Re数、e/Di、p/Di进行回归分析所得水侧摩擦因子的关联结果为：适用范围如下：0.0291e/Di0.05;0.4p/Di0.68X103Re3X10437对旋流管试验点计算值与试验结果的比较如下图：38不同Re数时旋流管与光滑管流阻性能的比较39结论1）在相同Re条件下，各旋流管阻力系数显著高于光管的阻力系数。2）旋流管管内流动的一个显著特点是阻力系数随Re数的增大而减小。3）对于不同节距和槽深的旋流管其对流体产生的影响有较大的差异。4）槽深越深，摩擦系数随Re数的变化的曲线越平坦。40结论1）在相同Re条件下，各旋流管阻力系数显著高于光管的阻力系数。2）旋流管管内流动的一个显著特点是阻力系数随Re数的增大而减小。3）对于不同节距和槽深的旋流管其对流体产生的影响有较大的差异。4）槽深越深，摩擦系数随Re数的变化的曲线越平坦。5）与光管相比随着Re数的增加旋流管的阻力降下降较平缓。6）槽深较浅的管子其阻力特性越接近于光管。413.6旋流管管内对流换热与阻力实验研究结果分析3.6.1旋流管管内强化传热机理探讨强化传热增大近壁处的流体的脉动和增大紊流热扩散率减小边界层厚度423.6.2结构参数对传热与流阻性能的影响（1）槽深e的影响在节距P一定的情况下，随着槽深e的增加，对流体流动的扰动程度越来越大，也就越能破会边界层底层，进而Nu越来越大。从而减少了传热热阻，强化了管内的传热。思考：那么e是不是越大越好？43随着e的增大，流体流动湍流程度加强，附面层的脱体而形成较大的压降，是的流动阻力大为增加。当凸槽高度较低时，流体只能在近壁处形成较小的涡流。这样既能使传热得以强化，由于这种小涡流引起的附加湍流较小，不会引起过大的流动阻力。44（2）节距p的影响45当旋流管的间距较小时，流体有从凸槽上“滑”过去的趋势，不利于改善近壁处的传热性能。而当P较大时，涡流沿壁面传播时也要消耗能量，从而涡流强度逐渐减小，涡流对近壁层湍流扰动的范围较小且强度也减弱。当槽深一定时，在相同的Re下，p越小，螺纹越密，对流动阻力的影响也大，则Nu越大。463.7旋流管的优化设计旋流管的优化设计换热面积明显减小、提高传热效率阻力增加制造安装运行安全47在不同的换热系统中，采用的强化管的类型是不同的，关于强化换热元件有3种评价指标：◆一是，维持流体的输送功不变，传热负荷不变，比较换热器可节省的传热面积；◆二是，维持换热器的传热面积不变，传热负荷不变，比较可节约的流体输送功；◆三是，维持换热器的传热面积不变，流动输送功不变，比较换热器可增加的传热负荷。评价指标：483.7.1强化管的传热特性与阻力特性1、Nu数它表征对流传热系数α与纯分子导热系数λ/De的相对大小。对于充分发展的层流流动换热，其Nu数为恒定值。对于充分发展的紊流流动换热，Nu数取决于Re数和Pr数。2、St数（斯坦登数）493、传热因子j对于给定的换热表面，在0.5≤Pr≤10.0的范围时，从层流区到紊流区，可以不考虑Pr变化对传热特性的影响。50层流时，摩擦因子f与Re数、L/De及流道的几何形状有关。紊流时，f只是Re数和换热表面粗糙度的函数，而与流道的几何形状及L/De的关系甚微。4、阻力系数f阻力系数f,一般称为范宁阻力系数，其定义式为：513.7.2强化传热管的性能评价方法（1）传热因子j和阻力系数f比较法一个换热表面的j值越大，f越小，则该换热表面的性能越好。因此，可以j和f为基础，来比较各种不同强化传热表面的性能优劣。（2）传热－泵耗功率函数比较法52（3）以性能指标或来评价对于强化传热表面来说，往往是传热系数α和阻力系数ξ同时增大,甚至在不少情况下,ξ比α增加得更快，因此必须同时考虑两者。故提出了下列性能评价指标。理想的强化传热表面的之值应大于零；越大性能越优越。53结论：对于p/Di由计算结果可见，最优的指标均在0.45附近。说明，小节距的旋流管无论从哪一方面的性能指标讲均是优良的。对于e/Di,其最优值在0.035～0.045之间。543.7.3优化设计的计算结果对旋流管换热器在不同的参数Re及Pr分别进行优化计算，具体的目标函数为：式中：k——不同Re0数和不同的Pr数下的系数