扁管凝结换热的试验研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 扁管凝结换热的试验研究 摘 要： 对某散热器有限公司提 供的两种型号的冷却扁管进行了管外凝 结换崾匝椤捎孟咝曰毓榉 钚 乘法）拟合出换热系数与管内流体 流速之间的关系，并利用测量值的方差 2 对拟合方程的精度进行检验。从拟合 方程得到两种试验扁管管内外换热准则 关系式，管型和管型的管外凝结换 热系数分别为 11 981.78、 11 004.74 W m-2 K-1。从拟合方程和两种管型 的长宽比可以得出：扁管的长宽比越大， 管内流体的湍流越充分，越有利于管内 对流换热，但不利于管外凝结换热。 中国论文网 /1/view-13027055.htm 关键词： 车用散热器； 扁管； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 对流换热系数； 凝结换热 中图分类号： TK 124 文献标志 码： A Experimental Study on Condensation Heat Transfer of the Flat Tube TONG Zhengming， ZHU Jiadong， ZHOU Qingtong （School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China） Abstract： Experimental studies on the condensation heat transfer on the outside of two types of the cooling flat tubes，provided by a radiator company，were conducted.In the test，the relationship between the heat transfer coefficient and the flow rate in the tube was fitted by the linear regression.The accuracy of the fitted equation was -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 verified by the variance 2 of the measured values.The coefficients of 11 981.78 W m-2 K-1 for type and 11 004.74 W m-2 K-1 for type were achieved.According to the fitted equation and the ratio of length and width for two types of the flat tubes，it could be concluded that the larger the ratio was，the fuller the turbulent flow in the tube developed.It was helpful to the convective heat transfer.But it was adverse to the condensation heat transfer in the outside of the tube. Keywords ： automobile radiator； flat tube； convective heat transfer coefficient； condensation heat transfer 汽车工业的快速发展给汽车散热 器带来巨大的市场。为了提高散热器的 换热性能以满足车用散热器日益增长的 技术要求，就需要对换热元件的换热机 理做深入的研究7。对散热器中起主要 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 换热作用的冷却扁管进行研究非常重要。 本文对某散热器有限公司提供的两种型 号的冷却扁管进行了管外凝结换热试验， 主要包括试验和数据处理两方面的工作。 1 凝结换热 一般蒸汽与低于饱和温度的壁面 接触时有两种不同的凝结形式。如果凝 结液体能很好地润湿壁面，它就在壁面 铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。 膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖， 凝结放出的相变热（潜热）必须穿过液 膜才能传到冷却壁面上。这时液膜层是 换热的主要热阻。当凝结液体不能很好 地润湿壁面时，凝结液体在壁面上形成 一个个的小液滴，这种换热形式称为珠 状凝结。对于珠状凝结，虽然其表面传 热系数要比其他条件相同的膜状凝结大 几倍或更多，但却不易于长久地维持。 因而实际工业上应用只能实现膜状凝结 1。 能源研究与信息 2018 年 第 34 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 卷 第 1 期童正明，等：扁管凝结换 热的试验研究 努塞尔于 1916 年提出了纯净蒸 汽层流凝结的分析解，指出了液体膜层 的导热热阻是凝结过程主要热阻，忽略 次要因素，从理论上揭示了有关物理参 数对凝结换热的影响。 努塞尔的理论分析可以推广到水 平圆管及球表面上的层流膜状凝结。平 均表面传热系数的计算式2-3为 hH=0.729gr2l3lld（ts-tw） 1/4（1） hs=0.826gr2l3lld（ts-tw） 1/4（2） 式中：hH 为水平圆管上的层流 膜状凝结换热系数，W m-2 K- 1；hs 为球表面上的层流膜状凝结换热 系数，W m-2 K-1；r 为液体的汽 化潜热，kJ kg-1；l 为液体的密度， kg m-3；l 为液体的导热系数，W m-1 K-1；l 为液体的动力黏度， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 Pa s；d 为水平管或球的直径， m；tw 为壁面温度，；ts 为液体温度， 。 膜层中凝结液有层流和湍流之分， 可以用膜层雷诺数 Re 进行判别。试验 表明，液膜由层流转变为湍流的临界雷 诺数 Rec 可定为 1 600。横管因直径较 小，实践上均处在层流范围。因而将在 本文求解得到的管外凝结换热系数与式 （1）进行比较。 2 蒸汽凝结试 验台 为了获取试验数据，笔者自行设 计了一台蒸汽凝结换热的试验装置。该 装置主要由蒸汽系统、冷却水循环系统、 测量系统等组成。 2.1 试验原理 由蒸汽发生器产生的蒸汽进入装 有试验元件扁管的试验工作位内进行热 交换。冷却水流经试验管，带走蒸汽凝 结所放出的热量。为了防止蒸汽发生器 产生的蒸汽中携带水分，从而影响试验 的精度，必须控制蒸汽的干度，将蒸汽 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 压力控制在 0.12 MPa 左右，温度控制 在 104105。 蒸汽在扁管表面上凝结，凝结水 经测试端体下方的阀门流出后由电子天 枰称重。冷却水流量则经过涡轮流量计 计量，冷却水流经试验管后，吸收热量 而使水温升高，两端的温度通过温差热 电堆测量。通过冷却装置控制冷却水进 口温度使其在试验过程中保持稳定。由 于进口温度相同，一方面使冷却水系统 稳定，另一方面便于对试验结果进行分 析对比。在维持蒸汽温度和流速恒定的 条件下，测量管内冷却水流速和换热系 数之间的关系。 扁管传热系数 K 可以根据传热基 本方程式求得。由热阻叠加原理得到如 下关系1，即 1K=1o+R+1i（3） 式中：R 为管壁热阻、污垢热阻、 接触热阻等所有导热热阻，m2 K W-1； o 为管外凝结换热系数，W m-2 K-1； i 为管内冷却水换热系数， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 W m-2 K-1。 在试验期间 R 可以被认为是不变 的常数。试验中由于蒸汽压力不变，且 其定性温度基本不变，则 o 在整个试 验期内为常数。由于试验扁管的厚度 为 0.2 mm，且扁管铝材的导热系数比 较大，故管壁热阻可以忽略不计；另外， 由于试验扁管测试前清洗干净，故污垢 热阻可忽略不计。故求出热阻 R就可以 得出管外蒸汽凝结换热系数。于是有 1K=1i+R （4） 式中，R为忽略管壁热阻、污垢 热阻后的导热热阻，m2 K W-1。 如果认为水在所试验的温度范围 内，所有物性都与温度的变化无关，则 式（4）可简化为 1K=R+Cu-n（5） 式中：C、n 均为常数；u 为管内 侧的冷却水流速，m s-1。 通过试验测得 u 和 K 后，就可以 作出 1/K 与 u 的拟合曲线，从而得出 R、C、n。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 2.2 验装置及系统 2.2.1 试验系统 试验台如图 1 所示。试验时，调 整冷却水流速分别为 3.0、2.0、1.4、1.2、1.0、0.8 、0.6、0.4 m s-1，测量冷却水进口温 度 tw1、冷却水进出口电势差 V、冷 却水体积流量 Gw、冷凝水质量流量 m 和饱和蒸汽温度。 图 1 试验台 Fig.1 Test sytem 试验台系统设计简图如图 2 所示。 换热扁管安装在横截面尺寸为 150 mm180 mm、长为 1 000 mm 的长方体 试验工作位内。 2.2.2 试验测试扁管 对两种管型的铝材扁管进行试验 研究，管型分别为：管型（2.5 mm14 mm1 010 mm）和管型（2.2 mm19 mm1 010 mm） ，管壁厚度均为 0.2 mm。扁管结构示意图如图 3 所示， 其中：A、B 分别为扁管长、短边长度； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 L 为扁管的长度。 图 2 试验台系统设计简图 Fig.2 Scheme of the test system 图 3 扁管结构示意图 Fig.3 Structure of the flat tube 3 试验数据处理及分析 3.1 试验参数 3.1.1 试验直接测量参数的记录 扁管管内工质为自来水，管外为 饱和蒸汽。两种扁管的一组试数据分别 如表 1、2 所示。 表 1 管型的一组试验数据 Tab.1 Test data of the type I tube 表 2 管型的一组试验数据 Tab.2 Test data of the type II tube 从表 1、2 中可知，随着冷却水 流速的减小，冷却水流量、冷凝水质量 也相应减小，此时冷却水的进口温度、 电势差均有所增加。 3.1.2 试验参数的计算 （1） 当量直径 de 4-5和管内 雷诺数 Re -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 流体在管内流动比较复杂，而扁 管由于自身的几何形状，其流动形态不 同于圆管，为此根据文献6求取扁管的 当量直径为 de=4B（A-B）+B2/4 B+2（A-B ） （6） 雷诺数 Re 为 Re=deu （7） 式中： 为流体黏度，kg m-1 s-1； 为流体密度， kg m-3。 （2） 冷却水出口温度 tw2 tw2=2.763+8.624（V+Et）- 0.088（V+Et）2（8） 式中：Et 为对应温度的电势差， mV；tw2 为冷却水出口温度，。 （3） 总换热量 Q Q 取冷却水侧换热量 Qc 与蒸汽 侧换热量 Qh 的算术平均值，即 Q=Qc+Qh2（9） （4） 传热系数 K K 可根据传热基本方程式得到， 即 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 K=QFtm （10） 式中：tm 为对数平均温差， ； F 为扁管换热面积， m2。 通过计算得到的两种型号扁管的 尺寸如表 3 所示。 表 3 两种型号扁管的尺寸 Tab.3 Geometric parameters of two flat tubes 由式（5）可知，当 u 逐渐增大 时，1/K 将无限趋近于 R，故可根据试 验数据中 1/K 与 u 的关系作图，结果如 图 4 所示。将从图中得出的 R的初始近 似值作为 R0，取 R0=0.000 6，再利用 线性回归法计算 a 和 b。 根据最 小二乘法得到残余误差方程（i 为 yi 的残余误差）的数学模型为 yi=a+bxi+i， i=1、2、n（13） 根据最小二乘法，a 和 b 应在 （试验数据每组取八个速度点故 n 值取 8）=8i=12i 最小时为最佳值，故对 式（13）中 a 和 b 取偏导数并令其为零， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 即 图 4 1/K 与 u 关系散点图 Fig.4 Relationship between 1/K and u a=28i=1（a+bxi-yi）=0（14） 同理，有 b=28i=1（axi+bx2i-xiyi ） =0（15） 联立式（14） 、 （15）得到 b=LxyLxx a=y-bx Lxx=8i=1x2i-188i=1xi2 Lxy=8i=1xiyi-188i=1xi8i=1yi x=188i=1xi y=188i=1yi（16） 经计算，b=-1.857 2，a=-8.054 0，C=0.000 317 8，n=1.857 2。 则有 y=-8.054 0-1.857 2x（17） 1K=0.000 6+0.000 317 8u-1.857 2（18） 将式（18）作图，结果如图 5 所 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 示，并与图 4 的散点关系图做比较。 从图 5 中可看出，管型 I 的M 合曲线基本与试验数据相符，仅在较低 流速时存在较大偏差。 3.2.2 回归方程方差检验 对方程精度的检验用测量值 yi 的 方差 2 检验。因 a 和 b 已知，所以由 式（13）可得残余误差。 图 5 1/K 与 u 拟合曲线 Fig.5 Fitting curve of 1/K and u 方差 2 的估计误差 21（因本 方程只有两个未知量，故自由度为 n- 2）为 21=8i=12i6=0.328 9（19） 由于 2 的方差较大，故需调整 R0 的初始值，取 R1=R0-0.000 001， 再代回到式（11）中循环计算，直到方 差满足 20.000 1。最后求得的拟合方 程为 1K=0.000 083 46+0.000 953 2u0.62（20） 由式（20）和式（7）可得到管 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 型的管内对流换热的准则关系式，即 Nu1=0.037 56Re0.62（21） 式中，Nu1 为努塞尔数。 管型管外凝结换热系数为 11 981.78 W m-2 K-1。 由管内对流换热系数并根据牛顿 冷却定律，求出管壁温度，再代入膜层 雷诺数计算式得到膜层雷诺数为 2.027。 因为膜层雷诺数小于 1 600，属