Y型三维微肋管管外池沸腾传热特性_刘德.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：上海市动力工程多相流动与传热重点实验室资助项目（）作者简介：刘德（），男，硕士研究生，研究方向为强化传热，电话：，：；黄理浩，男，博士，副教授，通信联系人，研究方向为新型制冷剂传热特性、单管沸腾冷凝换热，：。过程强化 型三维微肋管管外池沸腾传热特性刘 德，黄理浩，陶乐仁，陶雪豹，李小翠，杨乐乐（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海；上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海）摘要：为了提高换热管的传热效率，选用 根光滑管和 根不同肋间距的 型三维微肋管进行了 的管外池沸腾传热实验。研究发现，受气泡行为的影响，型三维微肋管的管外传热系数随热流密度升高而降低，传热强化效果削弱并逐渐趋于光滑管；提高饱和温度和肋间距可以增大管外传热系数，但在高热流密度下，饱和温度对管外传热系数的影响不大；与其他商用强化管相比，根 型三维微肋管的传热系数在热流密度在低于 时更具优势，但在热流密度高于 时强化倍率较低。为了预测 型三维微肋管的管外表面传热系数，拟合了一个传热关联式，该关联式 的计算值与实验值相对误差不超过。关键词：强化表面；核态池沸腾；关联式；气泡中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；作为一种高效的传热方式，池沸腾换热被广泛应用于制冷、化工、能源、医疗等多个领域。为了使换热器的结构更加紧凑，在有限的换热温差和空间下获得更高效的换热效果，各种类型的增强换热表面管应用在换热器中。管外池沸腾换热包含气泡的产生、生长、脱离、化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：合并和湮灭等过程，影响因素众多，机理十分复杂，不同增强表面的管外沸腾传热有所不同。国内外学者针对换热的主要影响因素，对光滑管和强化管的管外核态池沸腾换热做了大量的实验。等研究了超亲水和超疏水微结构表面对核态沸腾的影响，发现超疏水微结构可以降低气泡形成所需的过热度，大大增强换热效果。等研究了 的倾斜角对管外池沸腾的影响，结果表明倾斜角对传热的影响与长径比有关。等通过实验研究了、（）和（）在强化管外的饱和池沸腾换热，发现强化换热管强管的传热强化倍率随着热流密度的增加而减小，当热流密度达到 时，强化管的传热增强效果完全消失。等通过实验发现，在油质量分数低于时，制冷剂与润滑油的混合物换热效果强于纯制冷剂，增强效果随着饱和温度的升高而减弱。范小光等研 究 了 饱 和 压 力 下 工质在光滑铜基表面的池沸腾传热，研究表明，提高饱和压力可以大大提高传热系数和临界热通量，推迟核态沸腾向膜态沸腾的转换。魏家新等比较了常 微重力下不同几何尺度的微结构表面的池沸腾传热，发现合理的柱状微结构设计、组合、排布方式可以提高沸腾传热系数，强化沸腾换热。前期的研究考虑了各种因素对管外沸腾传热的影响，但所选取的强化管传热系数多随热流密度升高而增大，文中采用 型三维微肋管，探究了热流密度升高而管外传热系数下降的现象，并分析了各种因素对该类强化管传热性能的影响。实验 实验系统如图 所示，实验系统主要包含 个独立的循环，即 制冷剂循环、水循环和乙二醇水溶液循环，其中制冷剂循环为隔膜泵驱动，水循环控制测试段进口水温和流量，乙二醇恒温水箱温度维持在 。在测试段，强化管浸没在制冷剂工质中，制冷剂与管内的水换热发生池沸腾，产生的蒸汽被乙二醇循环冷凝回收进储液罐以进行下一个循环。测试管选用 根实验段长 ，外径 的光滑管和 根 型三维微肋管，根强化管具有相同的内螺纹结构和管外强化表面，但管外肋间距不同，强化管 的外肋间距略大于强化管，强化结构的轴向剖面放大图和排布方式如图 所示，详细的结构参数如表 所示。储液罐；液压隔膜泵；脉冲阻尼器；质量流量计；，板式换热器；，电加热器；，变频水泵；，电磁流量计；，视液镜；测试段；压差变送器；膨胀水箱；电磁膨胀阀；，阀门；乙二醇恒温水箱图 实验系统 刘 德等 型三维微肋管管外池沸腾传热特性 投稿平台：图 型三维微肋管的表面结构 表 实验管外表面结构参数 测试管外径 内径 轴向肋间距 周向肋间距 肋高 光滑管 强化管 强化管 数据处理根据测量的管内和管外的换热量，确保热平衡误差在之内并维持 不变，取两者平均值计算总传热系数。（）式中：为换热量，；为管外传热面积，；为对数平均温差，。采用热阻分离法，总热阻 与各项热阻的关系可表示成：（）式中：为外径，；为内径，；为管内表面传热系数，（）；为污垢热阻，（）；为管壁导热热阻，（）；为管外表面传热系数，（）。其中 可由带经验参数的 修正 公式计算得到：（）（）（）（）()（）（）式中：为管内传热系数修正因子；为水的导热系数，（）；为管内水流动的沿程阻力系数；为雷诺数；为管内水的普朗特数；为测试段管长，；为以流体平均温度计算的水的动力黏度，；为以流体壁面温度计算的水的动力黏度，；为水侧进出口压差，；为管内水的密度，；为管内水流速，。对于同一根实验管，管壁导热热阻 和污垢热阻 为定值（），所以当 为定值时（保持热流密度和饱和温度恒定），与 的关系可以写成式（）中一次函数的形式，由 图解法求得经验参数。（）如图 所示，采用 图解法计算得到强化管 和强化管 的 分别为 与，计算所得带入式（）可求得。图 图解法结果 计算结果分析 光滑管管外表面传热系数管外沸腾表面传热系数的经验关联式有很多，常见的有 公式、公式、公式和 公式等。保持饱和温度为 ，水流量 不变，调节入口水温以改变热流密度，关联式计算值与实验值对比如图 所示。图 光滑管经验关联式计算值与实验值对比 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：由图 可知，除 公式外，其余 种关联式计算值与实验得出的管外表面传热系数误差不超过。其中误差最小的是 公式，计算工况内的最大误差为 ；误差最大的是 公式，最大误差为 。计算结果一方面表明，实验台的测试结果具有良好的可靠性，另一方面表明，计算 在光滑管管外核态池沸腾换热时，使用 公式可以提高计算的精确度。强化管管外表面传热系数 热流密度对管外表面传热系数的影响如图 和图 所示，当饱和池沸腾换热发生在光滑管表面时，管外表面传热系数随热流密度的提高而增大，而强化管的趋势与光滑管相反，在相同的饱和温度下提高热流密度，管外表面传热系数降低，强化倍率 也逐渐下降并趋于。这表明热流密度升高不仅会产生更多汽化核心增强换热，还伴随削弱传热作用的不利因素。图 型三维微肋管管外的传热与热流密度的关系 在测试饱和压力下，由于 型三维微肋管结构的强化作用，汽化核心数目很快达到饱和，此时影响传热的主导因素由汽化核心数目变为气泡的及时脱离与液体的及时供应。随着壁温升高，气泡黏度增大，未及时脱离的气泡会聚集在微肋之间，挤压供液通道的空间，使吸液变得困难，一些已经活化的汽化核心被抑制，难以生成新的气泡；并且随着热流密度升高，更多未脱离的气泡合并附着在强化管表面形成气膜使导热热阻增大，强化管表面的传热被进一步抑制。在这 个因素共同作用下，提高热流密度会导致 型三维微肋管的传热增强效果被逐渐削弱，并最终趋近于光滑管。肋间距对管外表面传热系数的影响如图 所示，在相同的热流密度和饱和温度下，强化管 的管外表面传热系数和强化倍率略高于强化管。根强化管的肋结构相同，但强化管 和强化管 的管外肋间分别为 和 ，较宽的肋间距有利于气泡的脱离，所以强化管 的换热效果更好。因此，适当增加肋间距可以提高 型三维微肋管的管外表面传热系数。饱和温度对管外表面传热系数的影响如图 所示，热流密度 时，强化管 的传热系数在 个饱和温度下相差较大，其中 下的传热系数最大，而在热流密度 时，个饱和温度下传热系数十分接近。热流密度较低时，提高饱和温度可以有效地降低气泡生成所需的最小尺寸，增加汽化核心的数目，增大管外表面传热系数；而热流密度较高时，汽化核心数目对传热的影响不大，此时对传热起主导作用的是热流密度而非饱和温度。因此在低热流密度下饱和温度对传热的影响较大，管外表面传热系数随着饱和温度的升高而增大，但随着热流密度升高，饱和温度对管外表面传热系数的影响越来越小。图 型三维微肋管管外表面传热系数与饱和温度的关系 不同结构的强化管对比 型三维微肋管与一些商用强化管强化倍率的对比如图 所示，根强化管在饱和温度为 ，热流密度为 左右时，强化倍率远高于其他类型的强化管，在热流密度为 时，强化倍率分别为 和 ，高于 和 型强化管，仍然可以满足一般工业用途。图 中所有强化管的强化倍率都随着热流密度升高逐渐下降并最终趋于，但与其他强化管的传热系数随热流密度缓慢增大不同，型三维微肋管在低热流密度下就有较高的管外表面换热系数，受不利因素影响，管外表面换热系数随热流密度升高刘 德等 型三维微肋管管外池沸腾传热特性 投稿平台：而下降，强化倍率下降较快。因此，池沸腾换热在热流密度低于 时使用 型三维微肋管，可以提高换热效率，减少换热损失，但在热流密度超过 时，不宜使用此种类型的强化管。图 不同结构的强化管强化倍率对比 强化管池沸腾预测关联式影响管外饱和核态池沸腾换热的因素较多，其中制冷剂的物性、热流密度和饱和温度（饱和压力）的影响最大。文中采用 等的提出的关联式模型，即式（），此式适用于核态池沸腾时管外表面传热系数随热流密度升高而下降的趋势。（）（）（）（）式中：为 常数，制冷剂与铜管的组合取；为饱和制冷剂液体的密度，；为汽化潜热，；为制冷剂液体的导热系数，（）；为制冷剂液体的动力黏度，；为饱和温度，。采用多元非线性拟合计算求得关联式中的系数 和，其中强化管：，；强化管：，。扩大实验的工况范围，在不同饱和温度下即、和 ，同时改变改变水流量（）和入口水温（），得到大量的实验数据与拟合后的预测关联式计算值对比如图 所示。由图 可知，预测关联式计算值与实验值误差不超过 的数据占总数据的 ，可以很好地反映 在 型三维微肋管管外饱和池沸腾传热，并用于预测强化管的管外表面传热系数。图 预测关联式的计算值，与实验值，对比 ，结论（）个传热关联式中，公式的计算值与实验值误差较小，选用 公式可以有效地预测 在光滑管的池沸腾管外表面换热系数。（）型三维微肋管独特的肋结构在低热流密度（）下更有利于成核，与其他商用强化管相比传热效果更好，但热流密度提高时会伴随气泡无法及时脱离、供液受阻和产生气膜热阻等不利因素削弱传热效果，高热流密度（）下表现不如其他强化管。（）在热流密度不高时适当提高饱和温度和肋间距可以增大 型三维微肋管的管外表面传热系数，而在热流密度较高时饱和温度对管外表面传热系数的影响不大。（）拟合后的 预测关联式对 在 型三维微肋管管外的池沸腾传热具有良好的预测效果，的数据点误差不超过。参考文献：，：，：，（），（），：，化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：，：，（），：范晓光，杨磊，张敏 不同压力下 在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验 化工进展，（）：魏进家，刘斌，张永海 常 微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展 化工进展，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（），（）：【上接第 页】结论（）通过抑尘剂原料优选及响应面优化分析，确定抑尘剂最优配方为：硫酸镁质量分数为 ，椰油酰胺丙基甜菜碱质量分数为 ，丙三醇质量分数为，羟乙基纤维素质量分数为 。（）该生物抑尘剂黏度为 ，值为 ，表面张力为 ，密度为 。浸透速度为 ，保水率为，具备良好的润湿性与抗蒸发性，符合现行规范要求。参考文献：，：，（）：李刚，吴将有，金龙哲，等 我国金属矿山粉尘防治技术研 究 现 状 及 展 望 金 属 矿 山，（）：，：李树芳，田进，谢宏，等 造纸废料制备润湿型抑尘剂及其性能研究 煤矿安全，（）：张晓庆，王梓凡，参木友，等 中国农作物秸秆产量及综合利用现状分析 中国农业大学学报，（）：苏璐璐，姬亚芹，张福强，等 水性聚合物对铁矿粉的抑尘性能与现场应用 环境工程学报，（）：张江石，刘绍灿，范召兖 新型煤尘化学抑尘剂配方优选实验 煤矿安全，（）：来水利，高沁，蔡建华，等 响应面法优化丙烯酸羟丁酯的微波合成 化学工程，（）：北京市环境保护科学研究院，中国环境保护产业协会标准管理部门 水溶性道路抑尘剂 北京：