（油气储运工程专业论文）含水原油在内肋管内的流动与传热特性研究.pdf

s t u d yo fh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o p o f 、t e rc u t0 i l i nt u b e sw i t hi n t e r n a if i n s l i ny u a n y u a n ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gg u o z h o n g a b s t r a c t r e c e n t l yb e c a u s eo fp r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n de n e r g yc r i s i s ，t h et e c h n i q u eo fe n h a n c i n g h e a tt r a n s f e rh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y , a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a ss u c ha so i l ， c h e m i s t r y , d y n a m i ca n dr e f r i g e r a t i o n ，a n ds oo n i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t ea l lk i n d so f q u e s t i o n sa b o u th e a ta n dm a s st r a n s f e r , w h i c ha r eu s e dt od e s i g no r i g i n a la n dc o m p a c t e dh e a t e x c h a n g e r 鼢e r e a st h er e s e a r c hm e t h o do nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tf o rt h et u b e s i d eo ft h e s h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e rh a sn o tb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h ef l u i dw i t hl o w r e y n o l d sn u m b e r ，e s p e c i a l l yw a t e rc u to i li st h ew o r k i n gf l u i d t h ei s s u ei sc a r r i e do u tb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t si n t h i sd i s s e r t a t i o n an e wt y p eo ft u b ei sf i r s t l y i n t r o d u c e d ，w h i c hc a nb em a n u f a c t u r e dd i r e c t l yb yj o i n t i n gm u l t i l o n g i t u d i n a lf i n so nt h e n e s t e ds m o o t hp i p e s t h en e ws t r u c t m ec a ne n h a n c et h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rb yt h eh e a t o fi n t e r n a la n de x t e r n a ls i d e s m e a n w h i l e ，t h ef l o wr e s i s t a n c ei sr e l a t i v e l yl o w i nt h er e y n o l d sn u m b e rr a n g ef r o m2 0 0t o12 0 0 ，t h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r ev a l i d a t e dc r e d i b l ec o m p a r e dw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n t s t h en u s s e l tn u m b e ra n d f a n n i n gf r i c t i o nf i t t i n gc r i t e r i o ne q u a t i o n sa r eo b t a i n e db ya n a l y z i n ga n dr e g r e s s i n g 5 7 g r o u p so fe x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ld a t a sw i t hd a t a f i t a l s ow eh a v ea n a l y z e dt h ei m p a c t o fr e y n o l d sn u m b e ra n dt h eg e o m e t r ys i z e so ft u b eo nh e a tt r a n s f e ra n df l o wf r i c t i o n i n a d d i t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fo r t h o g o n a lt e s t i n gm e t h o dr e s u l t s ，w ec a n d e t e r m i n eat u b e w i t ht h eb e s ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h es m o o t hp i p e b e s i d e s ，w ef i r s t f i n dt h a tt h e r ei sa nu n s t e a d i l yz o n eo ft h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei nt r a n s i t i o n a lf l o w i n t h i sz o n e ，h e a tt r a n s f e ra u g m e n tr a t i oa n dr e s i s t a n c ei n c r e m e n tr a t i ow i l lc h a n g ea c u t e l y t h e i m p o r t a n tp u r p o s eo fd e t e c t i n gt h i sz o n ei st op r o v i d es o m et h e o r i e so fc h o o s i n gf l o w i n gs t a t e i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e m e a n w h i l e ，w eh a v es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fw a t e rc u tr a t i oa n d l l s t e a m yt e m p e r a t u r eo nt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e ra n df i n n i n gf r i c t i o n i na l l ，t h e c o r r e l a t i o ne q u a t i o n so fn u s s e l tn u m b e ra n df l o wf r i c t i o nf a c t o ra r eu s e f u lt op u tt h en e w s t r u c t u r ei n t op r a c t i c e k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ，e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o r t h o g o n a l t e s t i n g ，t u b e sw i t hi n t e m a lf i n s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：力绚辟口6 月口f 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 黧篡芋锄栌指导教师签名： 三生! 三芝： 日期：矽谚年汐6 月口f 日 日期：勺力碑护6 月bj e t 中国油火学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代初石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态和社会经济问 题日益加剧，世界各国充分认识到节能的重要意义，各种节能技术如雨春笋般竞相出现。 强化传热技术发展几十年来，已成为第四代技术。各种各样的异形换热管代替传统光管， 被广泛应用于工程实际，从而大大改善了换热效率。因此，开发新型高效的换热设备有 重要的经济价值。 在换热器中，壁面两侧流体的对流换热系数往往很不均衡。当盘管内加热介质为原 油时，管内壁与原油的换热热阻成为影响总传热量的主要热阻。在这种情况下，管内空 间传热的增强通常采用肋化表面来实现。研究证明，当2 2 i ( a 8 ) 5 时，将传热面设计成肋化表面可以起到强化传热的 效果。肋化表面不仅能增加参与对流换热的总有效面积、降低该侧传热热阻，而且肋片 深入流体内部，可使肋侧的壁面温度更接近于同侧流体的温度。因此，肋化表面的研究 和设计日益得到工业上的广泛应用，尤其是圆环管内加装纵向肋片更是强化低雷诺数下 对流换热的一种有效方法。关于这方面的强化传热研究，有美国学者p a t a n k a r 1 ，2 1 和中 国学者陶文铨【3 ，4 】等。 1 2 强化传热技术概述 1 2 1 强化传热原则 在传热学中，对流是指由于流体的宏观运动，从而使流体各部分之间发生相对位移、 冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。但工程技术上，特别是在表面式换热过程中， 遇到的大多是流体流过另一物体表面时所发生的热交换过程，在传热学中称这种换热过 程为对流换热过程。 表面式换热器稳定传热时的换热量q ，应用传热学中的方程式可表示为： q = k f r ( 1 1 ) 其中：卜传热系数，w m - 2 k ； f 换热面积，m 2 ； 第一章绪论 r 热流体与冷流体的平均传热温差，k o 由上式可知，要使传热过程得以强化，就要提高换热器在单位体积、单位时间内的 换热量。一般可以通过三种途径来实现，即：提高传热系数、增加换热面积和增大平均 传热温差。但在多数情况下，平均传热温差是由工艺要求决定的，因此我们只能从提高 传热系数和增加换热面积两方面入手。 对于换热器管子壁厚不大、稳定工况下的洁净换热器，式( 1 1 ) 中的传热系数k 可按下式近似确定： 土：一1i 变i 一1 ( 1 - 4 - - 4 - 2 )一= j k 口l2 盘2 其中：磁管内对流换热系数，w m - 2 k ； 管外对流换热系数，w m a k ； 万管壁厚度，m ： 五管子材料导热系数，w m i k 。 按照热量传递过程中三种基本方式( 导热、对流及热辐射) 的影响因素及可操作的 范围，我们作以下分析：由于管子为金属材料，其导热系数很大，管壁厚度又较薄，所 以上式中8 2 值可视为零，所以，热传递过程的强化主要集中在对流换热与辐射换热的 区域，其中对流换热尤为活跃，而且应当首先判断出哪一个传热环节的分热阻最大，针 对这个传热分热阻采取强化措施收效最显著。因而，要增大传热系数k 可从提高管子两 侧的换热系数入手，即当增大时，相应的k 值也增大了。 1 2 2 强化对流换热的手段 按照b e r g l e s 的分类方法，以提高传热系数所采用的途径为依据，则可将强化传热 技术分为无源技术( 又称为被动式技术) 和有源技术( 又称为主动式技术) 两大类。所 谓强化传热的无源技术，是指除了输送传热介质的功率消耗外，不再需要附加动力的技 术；而强化传热的有源技术则是需要采用外加动力( 机械力、电磁力等) 的技术。 无源强化技术包括下列六种： ( 1 ) 粗糙表面法； ( 2 ) 扩展表面法； ( 3 ) 扰流元件法； 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 改变管道截面形状法； ( 5 ) 添加剂法； ( 6 ) 射流冲击法。 属于有源强化技术有以下四种： ( 1 ) 机械强化法； ( 2 ) 振动强化法； ( 3 ) 静电场法； ( 4 ) 抽压法。 此外，还有两种或两种以上的强化措施同时应用的，例如文献【5 7 】在粗糙管内或螺 旋管内再加入扭曲带插入物，在含插入物的管内或内翅管中放进传热流体的添加剂，以 期获得更大的传热强化效果，这些都被称为合成强化技术。 关于对流换热的强化，我们首先从对流换热的特征数方程来分析。以圆管内充分发 展湍流换热为例，则迪图斯贝尔特( d i t t u s b o e l t e r ) 公式如下： n u ，= 0 0 2 3 r e ；8p 哆 ( 1 - 3 ) 当流体被加热时，由公式( 1 3 ) 得到： =o02_3c蕊。v41r。6(pu)。sk ( 1 - 4 ) = i _ = - 一 ( ) 由此可见：提高流体流速，从而减薄层流底层，对强化对流换热十分显著；采用小 管径也是强化换热的一种措施；换热介质的热物性( 尤其是导热系数及密度) 对换热的 影响也是明显的。另外，增加流体的扰动以破坏层流底层，或采用外肋管、内肋管以增 加换热面积，这些都可以起到强化传热的作用。式( 1 4 ) 虽是对管内湍流换热写出的， 但上述分析定性上对无相变强制对流换热也适用。 下面将对几种强化传热技术的最新动态进行综合性的整理。 1 3 几种强化传热技术的研究进展 1 3 1 粗糙表面法研究综述 人工粗糙表面可分为砂粒型粗糙管、二维粗糙管和三维粗糙管，以下将对这三种类 型进行分别论述。 ( 1 ) 砂粒型粗糙管的强化传热 3 第章绪论 在层流流动中，所有粗糙凸出物都淹没在层流边界层内，流体流阻完全由粘性切应 力所造成，与壁面粗糙度无关，但在湍流流动中，壁面条件的影响非常明显：工程上使 用的管子，在高雷诺数时，般都不能当作光滑管处理，必须考虑壁面粗糙度对速度分 布和摩擦系数的影响。 n i k u r a d s e 8 j 对不同直径、具有密集砂粒型粗糙元的管子进行了系统的水力实验， 获得了粗糙管内的阻力资料。实验证明：在层流运动时流体流经各种粗糙圆管的阻力系 数与光滑管相同，但在进入湍流区后，粗糙管的阻力系数明显高于光滑管，并且相对高 度h d i 愈大，粗糙管内的阻力系数在较低雷诺数下就脱离光滑管阻力曲线而上升；当雷 诺数增加到一定程度时，阻力系数就不再与雷诺数有关，而只取决于h d i 的值。 d f d i p p r e y 和r h s a h e r s k y 9 】对带有红d = 0 0 0 2 4 0 0 4 8 8 密集排列的砂粒型粗 糙度的粗糙管进行了广泛地研究。他们根据实验研究，得出在恒定壁面热流密度条件下 的计算式为： ，。专鼬，q 1 + 5 1 9 p 够4 4e o 2 _ 8 4 8 】专) ( 1 - 5 ) 芦i 二 舯础e 专c 如 办d 相对粗糙度； 善粗糙管阻力系数( 孝= 4 q ) 。 z a p p a t l 0 1 在环形通道中，采用人工粗糙壁面技术后，使雷诺数为18 0 - - 6 0 0 的变压器 油的换热量提高了8 0 。 ( 2 ) 二维粗糙管的强化传热 对于二维粗糙物来说，其中一个重要参数是肋高。e d w a r d s 1 对圆形截面单个粗糙 物在空气流中的实验研究发现，只有当粗糙物的高度比粘性层流层的厚度大一倍以上时 ( 即h 2 6 。或h + l o 时) ，粗糙物才会对流体的换热起作用。当粗糙物的端部达到缓冲 层外边界所对应的高度( 即h + = 3 0 ) ，粗糙物对流体换热的强化很有效。但当h + 超过4 0 5 0 以后，它对换热过程的进一步强化作用不明显。 w e b b t l 2 1 3 1 对管内矩形截面的横肋进行了传热和阻力的实验研究，对于p r = l - - - , 1 0 0 的场合所作的热力性能的比较指出，粗糙物相对高度约为2 0 时为较佳的结构。 k a 且：h h h h t l 4 1 分析了空气流边界层的温降，认为采用粗糙物相对高度为5 0 - - 1 5 0 时对 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 强化传热是有效的。 关于二维粗糙物的另一个重要参数相对节距，有研究如下。n u n n e r 1 5 】进行了管 内环状粗糙表面的实验研究，由实验结果看出：和n u ，的数值均随相对节距p 1 1 的增 加而增加，但当p h 超过1 0 时，f r 和n u t 反而下降，即f r 和n u ，均在p h - 1 0 时达到最 大值。当p h 值从l o 继续增加到2 0 时，流动阻力的下降速率比换热系数要快些，因此 可以估计，p h 处在1 0 2 0 之间的某一数值时，具有最佳的热力性能。 顾维藻【1 6 】总结了大量有关带横肋环形通道的传热和流阻实验数据，指出用粗糙雷诺 数h 十表征粗糙元对边界层的扰动程度，用肋的相对节距p h 表征扰动德尔相继性，即流 体经过肋受扰动后到下一肋再扰动的相对距离，并且得出了带横肋和绕丝的环形通道的 换热公式。 ( 3 ) 三维粗糙管的强化传热 二维粗糙元沿横向断开后，就变成独立的凸出物或凹坑，形成了三维粗糙元。流体 经过三维粗糙元时，除了形成与二维粗糙元相同的沿高度和流动方向的速度和温度变化 外，还具有沿周向的变化。由于管内加工三维粗糙元比较困难，目前对带有三维粗糙元 管内对流换热特性的研究还很少。 最早有关三维粗糙元表面的传热研究( m e y e r ，1 9 7 8 ) f i r 表明，在带有如图1 1 所 示的三维粗糙元矩形通道中进行实验，由于所采用的三维粗糙元间距太大，与二维粗糙 元相比并不具有更好的换热性能。m e y e r ( 1 9 8 2 ) i s l 对空气流过带有均匀分布三维粗糙 元的环形粗糙套管的换热和阻力特性进行了实验。粗糙套管由外侧加工有三维粗糙元的 圆棒和光滑圆管组成。三维粗糙元用电火花腐蚀的方法加工而成，实验中两种三维粗糙 元形状如图1 2 所示。实验结果表明在相同的相对高度下，三维粗糙元产生的阻力损失 比二维粗糙元的更高，但其s t 数明显高于二维粗糙元。 5 第一章绪论 图1 - 1m e y e r ( 1 9 7 8 ) 三维粗糙元示意图 f i g1 - 1 t h es c h e m a t i co fm e y e r st h r e e - d i m e n s i o nr o u g hu n i t j ：_ j 图1 - 2 m e y e r ( 1 9 8 2 ) 实验的三维粗糙元的形状 f i g1 - 2 t h es h a p eo fm e y e re x p e r i m e n t e do nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lr o u g hu n i t r l 。w e b b 的研究【l9 】表明，强化管内对流换热的主要手段是促进管内湍流和扩展管 内换热面积，融这两种机理为一体的螺旋内肋管在增强换热即减少泵功率方面的性能均 优于只以一种机理为主的强化传热管件，如直肋管、二维肋粗糙管等。 r l w e b b 等【2 0 】以r 1 2 为介质，对七种不同几何尺寸的内螺旋肋管与光管进行了对 比。研究表明：七种内螺旋肋管均使传热强化，其原因：一是因为扩展了传热面积，二 是因为流体在肋间流动时不断分离、汇合而导致流体对流换热加强，当螺旋角为4 5 0 时， 传热系数最大。g e e 等【2 1 l 对螺旋角为0 - 9 0 0 的内螺旋管进行的研究也证实了这一点。 6 口口 口口 口口 丁主 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 1 3 2 扩展表面法研究介绍 研制成功的多种高效能传热面不仅能使换热设备单位体积的传热面积得到充分扩 展，而且还使流体的流动和换热性能得到相应的改善。 张后雷等【2 2 】研制了一种新型波纹打孔型板翅换热表面，并采用了单吹法测量了其传 热特性。测试结果表明：当r e 较小时，波纹打孔型板翅表面的强化换热效果明显。 曾敏等【2 3 】用实验方法研究了空气在具有3 种不同管径1 9 m m 、2 5 m m 、3 2 m m 的波 纹管内的流动与换热特性，管的外壁采用电加热来模拟均匀热流的条件，测得了不同工 况下各种管径的平均对流换热系数和阻力系数，从其综合结果可以看出：波纹管与传统 的光管相比，在换热增加的同时，阻力系数也相应的高出了许多，但在3 种比较准则下， 其综合性能还是要好些。 康海军等【2 4 】研究了3 种翅片间距( s = 2 o m m 、2 6 r a m 、3 2 m m ) 和3 种管排( n = 2 、 3 、4 ) 的9 个平直翅片管换热器的换热和阻力特性，得到了在r e = 5 6 0 5 0 0 0 范围内的 换热和阻力关系式，即： n u ：0 9 8 2r e 0 4 2 4 ( ) m 8 8 7 ( 华) m 1 5 9( 1 6 ) 5 0 4 r e n 4 5 1 ( 旁吨9 i 。 ( 1 7 ) 1 3 3 三维内肋管强化传热的研究进展 由于三维肋管的理论研究和工程应用正在飞速发展，从以前单一的三维内肋管发展 成为三维外肋管和三维内外肋管等一系列产品，以下将分类介绍。 ( 1 ) 三维内肋管的强化传热 三维内肋管是通过扩展管内换热面积和促进流体湍动而达到高效传热的目的，其换 热强化比n u n u 。= 2 5 3 5 ，而且结构简单，还能改变各段翅片的密度来改变其壁面 的热流密度，以适应多种传热需要。 廖光亚等f 2 5 1 以空气为介质，对三维内肋管的研究表明：三维内肋管之所以大大加强 了传热，是因为：a 流体在肋间的加速使热边界层减薄；b 流体绕三维肋的流动会在 肋后形成卡门涡街，大大促进了其后的换热。故，三维内肋管在空气被冷却的条件下， 其对流换热强化可达5 o 倍甚至更高，其热力性能也是其它强化管所难以达到的，其对 流换热准则关系式和范宁摩擦准则式分别为： 7 第一章绪论 n u = o 0 4 9 8 r e ；7 8 9z o 2 7 9 ( h d ) 0 4 5 2 ( b d ) o 2 8 9 ( 1 8 ) c ，= 0 0 0 0 4 5 r e ；3 1z 1 f 3 6 ( h d ) - i 3 5 ( b d ) 2 5 5 ( 1 9 ) 适用范围：p f 0 7 ，5 0 0 0 r e 2 5 0 0 0 刘红等【2 6 】以同样的实验条件，对三维内肋管的流态进行了划分，并对三维内肋管过 渡流和旺盛湍流雷诺数判据进行了实验研究，同时对三维内肋管内正反方向流动换热和 阻力特性进行了对比研究，另外还对三维内肋管的热力性能系数进行了实验研究。 除了以空气为研究对象，其它介质也有相应的研究。杜样等【2 7 1 以r 1 1 为工质，在 蒸汽凝结压力为1 4 7 - - - 2 6 5 k p a ，质量流率为4 0 - - - 1 5 3 k g m - 2 $ 工况下，对二维内微肋管和 三维内微肋水平管内凝结分层流区的局部换热系数进行了系统的实验。其实验结果表 明：在分层流区，与光管局部凝结换热系数比较，二维管、三维管局部凝结换热系数分 别提高了1 4 7 - - 7 8 3 ，2 6 1 - - 9 9 7 。k u o 等2 8 1 以r 2 2 为工质，内径为7 m m 的微肋管为 研究对象，实验条件为：蒸汽温度分别为2 、6 c 和i o c ，质量流量的范围是1 0 0 3 0 0 k g m - 2 $ 一，热流量范围是7 1 2 4 k w m 。结果表明：传热系数随热流量、质量流量 和饱和温度的增加而增加，但k u o 同时提出在低质量流量的情况下，压降的变化需要 进一步研究。 陈清华等【2 9 】以r 1 3 4 a 过热蒸汽为介质对三维内微肋管进口区段的凝结过程进行了 实验研究，结果表明：微肋管内过热蒸汽过热度降低的速率明显高于光管，且主要受质 量流量和管壁过冷度的影响。同样，辛明道等【3 0 】以r 1 3 4 a 为介质，在外径为1 6 m m 的 两种不同几何结构的水平三维肋管内进行了沸腾换热实验，研究了质量流量、热流密度、 蒸汽干度等因素对沸腾换热系数的影响，沸腾换热系数随质量流率、热流密度的增加而 增加：随着热流密度的增加，沸腾换热强化因子有所降低，而质量流率的增加对沸腾换 热强化因子的影响较小。 j e n s e n 等【3 l 】以水和乙二醇为工质，对几种内肋管的换热效果进行了深入的研究，以 无因次肋高h = 0 0 6 为基准。h 0 0 6 时，肋片为高肋，并把微 肋管和高肋管进行了对比。 张川【3 2 1 以润滑油为工质，对9 根不同肋形结构尺寸的肋叉排三维内肋管的对流换热 和流阻性能进行了实验研究。雷诺数r e = 3 0 8 7 0 ，普朗特数p r = 7 4 0 , 4 0 0 0 。结果表明： 在低雷诺数下，三维内肋管内的流型从层流向湍流转变，临界雷诺数r e c = 1 0 0 - - 一1 5 0 。 在工程应用条件下，流体一般处在换热系数较高的湍流区，从而强化传热，三维内肋管 8 中国i 油大学( 华东) 硕学位论立 的热力性能系数最高可达3 0 0 。 ( 2 ) 三维外肋管的强化传热 三维外肋管( 如图1 - 3 所示) 作为新一代管外侧强化换热元件，困其热力性能的优 越，已在许多工业领域中得到了广泛应用。高川云等口3 研究了横向流过顺排三维外肋管 柬的换热及压降，其结果表明：与光管管柬比较，其换热强化为1 6 22 倍，阻力增大 为1 3 2 倍，并得出了雷诺数在7 0 0 0 2 1 0 0 0 范围内的换热及流阻的准则关系式。 图l o 三维外肋臂照片 r i g i - 3t h e p h o t o g r a p ho f e x t e r n a l 3 d f i n n e d t u b e s 吴伟栋l 对气体横掠叉排三维外肋管束的换热和流阻特性进行了正交优化设计，对 九组肋管进行了研究。研究表明：a 与光管管柬相比，三维外肋管不仅增加了有效换热 面积，而且由于肋的存在，导致气流产生回流、横向二次流以及涡流等，有利于气体与 管壁之间的传热。在r e = 2 9 0 0 1 4 0 0 0 范围内，三维外肋管束的平均n u 数为光管管束 的平均n u 数的1 5 25 倍，同时，e u 数较光管管束增大了1 3 倍，说明三维外肋管 是一种高效的强化换热元件：b 在9 组肋管中，试件9 的传热增强最大：c 对三维外肋 管柬换热、流阻特性影响最为显著的因素为肋片高度，而肋片宽度对于换热、流阻特性 的影响不显著；d 三维外肋管柬的平均n u 数和e u 数均随肋片高度的增加而增大，随肋 间距的增大而减小；e 提出了叉排三维外肋管柬的换热及流阻特性准则方程式，为设计 三维外肋管换热器及进一步的实验研究提供了参考依据。 廖光亚等口5 】将三维外肋管应用到重力热管散热器中，研究结果表明：用三维外肋管 作重力热管的散热部件时，宜将三维肋管水平放置：在大空间自然对流情况下，三维管 的长度可减为光管的1 4 左右，改良加工和组装工艺后，还可降至更短；在结构上必须 用竖营作换熟元件时，也可用竖直三维外肋管来强化换热，且在热负荷较大情况下更为 有利。 9 第一章绪论 ( 3 ) 三维内外肋管的强化传热 三维内外肋管是一种强化两侧换热的元件，目前对此研究的比较少。有研究者以油 空气为工质，对三维内外肋扁管和圆管换热器进行了对比性实验研究。实验结果表明： 三维内外肋管换热器在大流量时比圆管式换热器更合适，三维内外肋管换热器之所以流 量小时传热量低，是因为油的速度低，在流过肋片后，形成了死滞区，特别是雷诺数较 小时甚至会出现三维内外肋管的换热性能低于圆管，又由于油的粘度较大，远离壁面的 流速较高的流层对近壁面处的低流速的流层的动量传递作用较弱，尾涡未得充分发展， 故因肋形的阻挡，使得近壁处流体所受到的扰动很微弱，换热会因此减弱。但当流量逐 渐加大时，三维内肋管会提前由层流区进入过渡流区，且在较低r e 数的情况下，就会 达到旺盛紊流区，三维肋的粗糙元作用也就得到了充分的体现，流体绕三维肋的流动会 在肋后形成卡门涡街，消除了死滞区，大大促进其后的换热。 1 4 强化传热性能分析与评价 自传热学形成学科以来，强化传热问题始终是人们关心的课题，新的强化传热方法 和技术以及新型换热器不断出现，这就需要对各种强化传热方法进行性能评价。目前工 程上应用较广泛的是直接比较法和由w e b brl 提出的强化传热性能评价方法。前者是 采用强化传热关于光管的传热与阻力性能直接比较以获得传热强化程度，后者是以热力 学第一定律为基础建立强化传热管与光管的对比式进行评价分析。用上述方法评价管内 强化换热，虽然直接方便并可获得确定的结果，但由于评价分析中没有将传热性能和流 动性能有效的结合起来，其结果与实际换热工况相差较大，不能很好的评价传热强化问 题。b e j a na 以热力学第二定律为基础，提出了用强化传热前后熵产率相对大小作为性 能比较的判据。该法虽然克服了w e b b 方法的不足，但不直观，也不易于在工程实际中 具体应用。为此，许多学者进行改进，提出了诸多评价指标，如强化后与未强化时单位 传热面净可用能收益比、强化前后可用能损失程度比等。虽然长期以来对于各种强化传 热方法都有一系列实验研究和理论分析资料，但未能得出使用面较广的通用经验公式。 由于传热过程的复杂性，还要考虑流动状态、流动通道、边界状况以及工艺条件和 经济效益等诸多复杂因素，很难提出一个通用于各种强化传热技术的准则。但为了便于 比较和探索较佳的强化传热方法，在忽略各种各样的次要因素后，大家普遍认为传热和 流动阻力是评价强化传热技术所应考虑的两个主要因素。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 论文研究内容 从上述文献可以看出，肋管换热性能与管子的几何参数和实验工况密切相关，目前 还没有一致公认的计算准则式，尤其对于低雷诺数下的传热，至今还没有较理想的强化 传热方法，理论和实验研究尚不够深入和全面。针对这一工程实际，本文以增加肋化面 积为原则，开发出了一种新型的内肋管，其对低流速下的流体传热强化效果较为明显， 而阻力增加较少，并且此种换热管加工制造简单，成本低，因而具有重要的工程应用价 值。论文研究内容如下： ( 1 ) 利用实验和数值模拟方法，研究了含水原油在光滑盘管( 以后简称光管) 内 流动与传热特性，既验证了整个实验系统的准确性，又为工程设计中常遇到的含水原油 在光管内流动和传热的复杂工况提供了理论依据，同时，也为研究内肋管强化换热性能 做好了对比铺垫工作： ( 2 ) 选取合理的肋片结构尺寸，利用正交实验表，列出9 组实验方案，以期确定 不同结构参数对换热性能影响的主次顺序及最佳肋形结构参数，从而实现结构的优化设 计： ( 3 ) 对实验和数值模拟的结果进行分析，回归推导出包含管子结构参数在内的换 热和阻力准则方程式，研究管子参数对换热和阻力特性的影响规律和机理，并与光管的 流动和传热性能进行比较； ( 4 ) 研究原油含水率、蒸汽温度等实验条件对光管和新型内肋管的流动和传热性 能的影响。 第二章强化传热研究方法介绍 第二章强化传热研究方法介绍 强化换热的研究有实验和数值模拟两种方法。实验方法可以获得比较符合实际情况 的数据，但其耗费的成本较大；而数值模拟较为方便、经济，可以为理论分析提供一定 的参考。本文采用了实验和数值模拟相结合的方法对光管和新型内肋管进行了研究，并 通过实验对数值模拟结果进行了验证。 2 1 实验系统简介 2 1 1 实验装置 本实验装置主要包括加热换热器、泵、腰轮流量计、进出口温度计、进出口压力表、 秒表等装置。实验段封装在加热换热器内，通过更换可拆卸的法兰，分别对光管和内肋 管进行实验。实验段的加热装置由电加热器和纯净水组成。 实验装置流程见图2 1 ： 塞 t 图2 - 1 实验流程示意图 f i g2 - 1 t h es k e t c hm a po ft h ee x p e r i m e n t 实验装置实物见图2 2 ： 1 2 中国油大学( 华东) 砸士学位论文 图2 - 2 实验装置实勃图 砘2 - 2 t h e f l o w c h a r to f t h e e x p e d m e n t 2 1 2 实验过程 含水原油在搅拌罐内充分混合，由泵增压，经流量计、温度计和压力表后，进入加 热换熟器内的加热盘管，加热后于出口处再次测量其温度和压力，如此循环往复。 实验仪器明细表见表2 - i 。其中，体积流量由开封仪表厂生产的腰轮流量计测量。 在实验前对流量计进行了校核实验，该流量计的精度较高。介质温度罚4 量力求实时准确， 故在进、出口处分别插有套筒，里面装有传感油，上面插有水银温度计。进出口压差均 由精密压力表测得。在实验管进出口的接头和各个密封处都已经涂上了硅橡胶以确保 整个实验装置的密封性。电加热器自动调节开关，使简体内的纯净水始终保持恒蒸汽压 下的沸腾状态从而达到了恒壁温条件。在每个工况稳定3 0 分钟后将该工况下铡得的数 据记录，并用e x c e l 对测试数据进行整理，见图2 - 3 所示的e x c e l 窗口。 表2 - 1 仪器明细表 t a b l e2 - it h e 血to f a p p a r a t u s 仪器名称 型号及量程数量性能精度 光管实验 压力表( 0 i m p a )20 4 级 压力表 内肋管实验压力表( o 0 4 m p a ) 2 0 4 级 标准温度计水银温度计( o 1 0 0 ) 20 0 l 热电偶测温计热电偶测温计( 0 0 1 5 0 c ) 05 光管实验l l d ( o l m 3 k 1 ) 腰轮流量计 0 2 级 内肋管实验l l d ( 15 6 m 3 h 1 ) 第二章强化传热研究方法介绍 表2 - 2 测量参数的范围 t a b l e2 - 2 t h er a n g eo fs u r v e y e dp a r a m e t e r 参数范围 光管实验0 1 8 m 5 。1 油品流速 内肋管实验o - - , l m s l 光管实验0 01 0 6 m p a 油品进出口压力 内肋管实验0 0 2 0 3 m 旧a 进、出口油品温度5 0 - - 9 c i 水蒸汽温度1 0 0 - 一1 2 0 图2 - 3e x c e l 数据处理窗t = l f i g2 - 3 t h ee x c e lw i n d o wo fp r c c e s s i n gd a t a 2 1 3 参数的测量 实验采用周密的测量方法和实验手段以保证实验精度。实验中要测量的变量有7 个，分别为进、出口油品的温度t n 、t 但，蒸汽温度t ，进、出口压力p l 、p 2 ，体积流 量v 以及流过v 体积流体所需要的时间t 。 本实验过程中，传热系数k 可由以下公式得到： 拈i 虿莲疆五 q 。 c z l 见油垢2 - 金m l五水垢 口2 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 公式( 2 - 1 ) 中的传热系数与管内对流换热系数口。、油垢厚度、金属壁厚、水垢厚 度以及管外对流换热系数口：有关。在本实验中由于使用的是新的管子，而且实验前经 过耐心细致打磨，所以内部没有结垢，对于金属壁面引起的热阻相对于管内外对流换热 热阻来说也是很小，可以忽略不计，而管外蒸汽与管壁的凝结换热系数一般在1 0 0 0 0 w m - 2 k 以上，从而传热系数仅取决于管内对流换热系数口。 2 2 数值模拟概述 f l u e n t 是一种基于有限容积法开发出来的商业软件。它是由f l u e n ti n c 继 p h o e n i c s 后推出的第二个有限容积法的软件，包含了结构化和非结构化网格两个版 本，可以计算的问题有定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子液滴的 蒸发、燃烧的过程，多组分介质的化学反应过程等。 2 2 1 基本物理模型 对于所有的流动，f l u e n t 都是来求解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或可 压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。这里将介绍的是层流流动的守恒方程( 在惯 性坐标系中) 。 质量守恒方程又称连续性方程： 粤+ 导( 彤，) = 瓯 ( 2 - 2 ) 西苏：”“ ”。 该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项s m 是 从分散的二级相中加入到连续相的质量( 比方说由于液滴的蒸发) ，源项也可以是任意 的自定义源项。 二维轴对称问题的连续性方程为： 害一t - 丢( 胁- 未( p v ) 譬= ( 2 - 3 ) 动量守恒方程，在惯性( 非加速) 坐标系中i 方向上的动量守恒方程为： 昙c 倒弘毒c 以一考+ 善+ 腮+ e c 2 削 其中：p 是静压；旬是应力张量；p g i 和f i 分别为i 方向上的重力体积力和外部体积 力( 如离散相相互作用产生的升力) 。f i 包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自 1 5 第二章强化传热研究方法介绍 定义源项。 对于二维轴对称几何外形，轴向和径向的动量守恒方程分别为： 以及 跏+ 净肿净p u v 卜o 办p + ，1 万ac 厂孥。协6 ， 吾昙c ，c 2 害一詈c v 瑚一2 砉+ 詈等c v 南+ p 等+ c ro ro r5r 5 rr 其中：v ；：i o u + 妻+ 兰： w - 漩涡速度。 应力张量由下式给出： = 叭鼍+ 鼍卅詈鼍磊 c 2 能量守恒方程： 耖) + 知( p e + p ) ) 毒( 詈一手_ 似恕u + 最( 2 - 8 ) 其中：k f r 是有效热传导系数( k 。矿k + k 。，其中k 。是湍流热传导系数，根据所使用的 湍流模型来定义) ，j j 是组分j 的扩散流量。上面方程右边的前三项分别描述了热传导、 组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。s h 包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热 源项。 2 2 2 湍流和涡流模型 本部分将会介绍轴对称和完全的三维涡流和旋转流动问题的解决以及湍流的一些 理论。 ( 1 ) 涡流和旋转流动的轴对称流动 i 轴对称假定隐含了流动中没有周向梯度，但是仍然有非零的涡流速度。 二维涡流的切向动量方程为： 1 6 二 c + 卫融印一锄抛毋 一 ，_ 一 心 o p a 一 a 一毋 a 一甜 卜 厂 明 v 7 w 即 2 3 = ， 一 a一苏锄一缸 + 攻 h 从 ， 争知卫陆 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 昙c p w ，+ 吾昙c r p 甜w ，+ 吾昙p p v w ，= 吾昙c ，瓦o w ， 。2 9 ， + 百1 _ 0l ，3 ；( 竺) 卜p 竺 ，o ro r ， 其中x 是坐标轴；r 是径向坐标：u 是轴向速度；v 是径向速度；w 是漩涡速度。 ( 2 ) 三维涡流 当几何图形有变化或具有周向流动梯度时，需要用三维模型预测漩涡流动。除此之 外还会考虑将问题简化为一个等价的轴对称问题，尤其是对初始状态的模拟计算。初始 的二维研究可以很快确定各种模拟和设计选项的影响，所以它对模拟涡流的复杂性很有 帮助。 对于包含涡流和旋转的三维问题，在i - j 题的设定过程中没有什么特别需要输入的内 容，也没有特别的解的程序。但是需要注意的是，在定义速度入1 2 1 边界条件的输入时， 可能需要使用柱坐标系，而且还会发现在解的过程中旋