旋流管管內換熱與阻力試驗研究

主講：許智

指導老師：崔海亭（教授）1主要內容3.1概述3.2旋流管結構及特點3.3旋流管管型的選擇3.4旋流管內阻實驗研究3.5旋流管內阻力試驗研究3.6旋流管管內對流換熱

與阻力實驗研究結果分析3.7旋流管的優化設計實驗螺旋管設計2旋流管即異性螺旋槽紋管，是一種優良的高效異形強化傳熱原件優點：制造結構簡單，加工方便（機械滾壓軋制）與阻力增加幅度相比、傳熱能力提高較多3.1概述不銹鋼旋流管33.2旋流管結構及特點結構：

外凹內凸的螺旋形槽凹槽剖面呈勺形或“W”形主要參數：內徑Di螺旋槽深度e螺旋槽節距p螺旋角β。4特點：

管子結構是通過管子的流體在螺旋槽紋的引導下，產生附加的旋轉流動，減薄層流底層的厚度，熱阻減小，傳熱得到增強；流體受螺旋狀凸肋的作用，產生邊界層分離，加強流體混合，從而加強對壁面附近流體的擾動，提高近壁區湍流強度，使管內換熱能力得到強化。53.3旋流管管型的選擇內徑Di；螺旋槽深度e；螺旋槽節距p；螺旋角β。表3-1旋流管的結構參數P15P16P17P34P3863.4管內換熱實驗裝置及實驗數據的處理實驗裝置及原理實驗數據處理73.4.1實驗裝置及原理83.4.1實驗原理首先用光管對實驗臺進行標定由Sieder-Tate（西德爾-泰特)關聯式將得到的實驗值與理論值進行比較大部分參數允許誤差為-7.5%～+9.4%。表明實驗結果可靠。9實驗原理兩邊取對數得根據相似準則得出換熱管的準則方程式:對于強迫對流，Gr可以忽略，又因為介質為熱水故Pr的方次關系為0.4。故可得式子103.4.2實驗數據的處理本實驗的實驗管，印管外側為冷凝放熱，內側為水與壁面對流換熱，故，即可看做等壁溫邊界條件下管內單向流體對流換熱。——管內水的定壓比熱容，kJ/(kg.k)；——介質的質量流量，kg/s；——管內水的出口溫度，℃——管內水的進口溫度，℃式中：1.介質在管內流動所獲得的熱量：11蒸汽冷凝時放出的熱量為：式中：——蒸汽的質量流量，Kg/s；——飽和水蒸汽的焓，KJ/Kg；實驗數據的處理122.牛頓冷卻公式

式中：——管內對流傳熱系數，W/（m2.k）；——實驗管壁面溫度，℃；——實驗管的傳熱面積，m2；——沿實驗管長平均溫度，℃；實驗數據的處理13求取努塞爾數實驗數據的處理143.4.4實驗結果15實驗結果16實驗結果17實驗結果18實驗結果19實驗結果20實驗結果21結論

旋流管管內對流傳熱系數較光管有了較大的提高，隨Re的增大，旋流管相對光管來說其強化效果下降，即旋流管的換熱性能越來越趨近于光管。223.4.5旋流管管內強制對流換熱Nu數關聯式

在試驗研究及數據處理的基礎上，對管內對流傳熱系數進行了多元線性回歸，對Re數e/Di、p/Di、Pr數的關聯結果如下：適用范圍：0.0291<e/Di<0.05;0.4<p/Di<0.68X103<Re<3X104233.4.6關聯結果與試驗值的比較243.5旋流管內阻力試驗研究3.5.1實驗裝置兩點說明：1、高位水箱2、壓差計25高位水箱：實驗管的流體阻力測量是在冷態條件下進行的，冷水來自樓頂上的水箱，所以壓力十分穩定。26高位水箱：實驗管的流體阻力測量是在冷態條件下進行的，冷水來自樓頂上的水箱，所以壓力十分穩定。壓力計：由于實驗采用的實驗管屬短管，故本實驗中使用四氯化碳壓差計測量試驗段的壓降。273.5.2實驗數據的處理由流體力學可知，介質在管內流動的阻力系數f

為：28實驗前對實驗臺的準確性進行測試，與經典的光管布勞修斯公式：

相比，實驗結果最大偏差為±6.4%，證明實驗臺測量數據是可靠的。293.5.3阻力實驗結果及分析對于不同的實驗管，阻力系數與Re的關系曲線：Di=10mm旋流管30阻力實驗結果及分析Di=12mm旋流管31阻力實驗結果及分析Di=14mm旋流管32Di=17mm旋流管Di=17mm旋流管33不同管徑下旋流管的阻力系數f與Re數關系的比較34各試驗管的摩擦系數可通過最小二乘法擬合成如下的形式：

對于不同試驗管可以得到不同的

Cf、m值，如表3-6所示。353.5.4阻力系數關聯式對8根旋流管的阻力系數?對Re數、e/Di、p/Di進行回歸分析所得水側摩擦因子的關聯結果為：適用范圍如下：0.0291<e/Di<0.05;0.4<p/Di<0.68X103<Re<3X10436對旋流管試驗點計算值與試驗結果的比較如下圖：37不同Re數時旋流管與光滑管流阻性能的比較38結論1）在相同Re條件下，各旋流管阻力系數顯著高于光管的阻力系數。2）旋流管管內流動的一個顯著特點是阻力系數隨Re數的增大而減小。3）對于不同節距和槽深的旋流管其對流體產生的影響有較大的差異。4）槽深越深，摩擦系數隨Re數的變化的曲線越平坦。39結論1）在相同Re條件下，各旋流管阻力系數顯著高于光管的阻力系數。2）旋流管管內流動的一個顯著特點是阻力系數隨Re數的增大而減小。3）對于不同節距和槽深的旋流管其對流體產生的影響有較大的差異。4）槽深越深，摩擦系數隨Re數的變化的曲線越平坦。5）與光管相比隨著Re數的增加旋流管的阻力降下降較平緩。6）槽深較淺的管子其阻力特性越接近于光管。403.6旋流管管內對流換熱

與阻力實驗研究結果分析3.6.1旋流管管內強化傳熱機理探討強化傳熱增大近壁處的流體的脈動和增大紊流熱擴散率減小邊界層厚度413.6.2結構參數對傳熱與流阻性能的影響（1）槽深e

的影響在節距P一定的情況下，隨著槽深e的增加，對流體流動的擾動程度越來越大，也就越能破會邊界層底層，進而Nu越來越大。從而減少了傳熱熱阻，強化了管內的傳熱。

思考：那么e是不是越大越好？42隨著e的增大，流體流動湍流程度加強，附面層的脫體而形成較大的壓降，是的流動阻力大為增加。當凸槽高度較低時，流體只能在近壁處形成較小的渦流。這樣既能使傳熱得以強化，由于這種小渦流引起的附加湍流較小，不會引起過大的流動阻力。43（2）節距p的影響44當旋流管的間距較小時，流體有從凸槽上“滑”過去的趨勢，不利于改善近壁處的傳熱性能。而當P較大時，渦流沿壁面傳播時也要消耗能量，從而渦流強度逐漸減小，渦流對近壁層湍流擾動的范圍較小且強度也減弱。當槽深一定時，在相同的Re下，p越小，螺紋越密，對流動阻力的影響也大，則Nu越大。453.7旋流管的優化設計旋流管的優化設計換熱面積明顯減小、提高傳熱效率阻力增加制造安裝運行安全46在不同的換熱系統中，采用的強化管的類型是不同的，關于強化換熱元件有3種評價指標：一是，維持流體的輸送功不變，傳熱負荷不變，比較換熱器可節省的傳熱面積；二是，維持換熱器的傳熱面積不變，傳熱負荷不變，比較可節約的流體輸送功；三是，維持換熱器的傳熱面積不變，流動輸送功不變，比較換熱器可增加的傳熱負荷。評價指標：473.7.1強化管的傳熱特性與阻力特性1、Nu

數

它表征對流傳熱系數α與純分子導熱系數λ/De的相對大小。對于充分發展的層流流動換熱，其Nu

數為恒定值。對于充分發展的紊流流動換熱，Nu

數取決于Re

數和Pr

數。2、St

數（斯坦登數）483、傳熱因子j對于給定的換熱表面，在0.5≤Pr≤10.0的范圍時，從層流區到紊流區，可以不考慮Pr變化對傳熱特性的影響。49層流時，摩擦因子f

與Re數、L/De及流道的幾何形狀有關。紊流時，f只是Re數和換熱表面粗糙度的函數，而與流道的幾何形狀及L/De的關系甚微。

4、阻力系數f阻力系數f,一般稱為范寧阻力系數，其定義式為：503.7.2強化傳熱管的性能評價方法（1）傳熱因子j和阻力系數f比較法一個換熱表面的j

值越大，f

越小，則該換熱表面的性能越好。因此，可以j

和f

為基礎，來比較各種不同強化傳熱表面的性能優劣。（2）傳熱－泵耗功率函數比較法51（3）以性能指標或來評價

對于強化傳熱表面來說，往往是傳熱系數α和阻力系數ξ同時增大,甚至在不少情況下,ξ比α增加得更快，因此必須同時考慮兩者。故提出了下列性能評價指標。理想的強化傳熱表面的之值應大于零；越大性能越優越。52結