强化管内沸腾换热实验研究

热能工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《

工业加热》2001年第3期

文章编号:1002-1639(2001) 03-0010-05

强化管内沸腾换热实验研究

颜　岩1, 肖玉吉2, 陈　泽2, 彭晓峰1

(1. 清华大学热能工程系, 北京100084; 2. 山东早春集团, 山东, 淄博256404)

摘要:主要研究在低过热度下微槽对流动沸腾换热特性的影响, 分别以单工质甲醇和甲醇与甲苯的混合物为工质对不同流量情况下光管、直槽管和螺旋槽管的流动沸腾换热特性进行了实验研究。研究结果表明:对单工质甲醇来说, 螺旋槽管可以明显起到强化传热作用, 而且流量越低, 强化传热效果越明显。对混合工质来说, 当流量较低时, 螺旋槽管强化传热效果不明显, 而在流量较高时, 强化传热效果比较明显。无论是单工质还是混合工质, 直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能起到明显的强化传热效果。还给出了螺旋槽管强化传热的定性解释。关键词:强化传热; 流动沸腾; 槽管

中图分类号:TK 175; T K 172　　文献标识码:A 　　

Experimental Study of Enhancing the Boiling Heat Transfer in Tubes

YA N Ya n 1, XIA O Yu -ji 2, CHEN Ze 2, PEN G X iao -feng 1

(1. T her mal Eng. Dept. , T sing hua U niv. , Beijing 100084, China ; 2. Shandong Zaochun Gr oup, Zibo 256404, China) Abstract :T his paper investig ates the influence of micro channels o n flo w boiling , the flo w bo iling char acteristics ar e studied ex per imentally fo r met hano l and the m ix ture of methanol and to luene flow ing in t hr ee hea ted pipes w hich hav e differ ent inner

sur faces , o ne is smo ot h and the o ther s ar e with helix micr ochannels and lo ngit udinal micro cha nnels r espectively . T he ex peri-ments sho w that helix m icro channels can enhance the heat flux o bviously , but the long itudinal micr ochannels can't. T he qual-itat ive analysis is pr oposed t o theo retically descr ibe the causes o f it. Key words :enhanced heat transfer ; flow boiling ; micr ochannel

1　前言

管内沸腾换热广泛用于化工、能源以及空调与制冷行业中, 制冷机上的蒸发器、锅炉中的水冷壁和省煤器等都属于沸腾换热设备。如何提高这些管内沸腾换热设备的换热效果, 一直是工程热物理行业的一个研究热点

[1, 2]

壁厚为3. 0mm 的圆管进行管内流动沸腾换热m m 、

性能的测试, 在同等条件下对光管、螺旋槽管和直槽管进行对比实验。主要考察在较低过热度下微槽对管内流动沸腾换热特性的影响, 并测试流量、热流密度等因素的影响。实验系统图如图1

所示。

。研究表明在平板上刻微槽是一

种有效的强化沸腾换热的手段并从理论和实验方面

研究了微槽对流动沸腾特性的影响[3～5]。但是到目前为止, 微槽对于管内流动沸腾换热会产生什么样的影响? 其换热特性如何还很少有人做过系统的研究。本文研究低过热度条件下微槽对管内流动沸腾换热的影响。

2　实验装置及实验过程

本实验采用的是外径为19mm 、管长为500

收稿日期:2001-04-04

作者简介:颜　岩(1974-　) , 男, 在读博士生, 主要从事强化传

热和烟气脱硫中的传热传质分析;

彭晓峰(1961-　) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事相变传热、多孔介质传热、工业加热节能技术的研究工作.

图1　实验系统图

3　实验数据的采集和处理

实验中需要测量的参数有:实验段壁面温度、工质进出口温度、工质流量、电加热器所用电流、电压。

其中, 实验段壁面温度由焊接在管壁的6对热电偶通过Hp 数据采集系统测得。工质进出口温度由安装在进出口连接管路上的两对热电偶通过Hp 数据

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工业加热》2001年第3期

采集系统测得。工质流量由浮子流量计测得。电加热器所用电流由安培表测得, 电压由Hp 数据采集系统测得。并采用如下方式整理数据:

(1) 温度:工质的定性温度采用进出口工质的平

均温度。即

in out

(1)

实验段壁面温度采用6对热电偶测得温度的算T i =

术平均温度。需要说明的是热电偶测得的是实验段外壁温度, 但是由于实验段管壁较薄, 实验段内壁温度与测得的外壁温度相差较小, 可以把外壁温度近似认为等于内壁温度。

(2) 工质流量:由浮子流量计读得的流量相当于以水为工质时的体积流量, 则该体积流量乘以水的密度就可以得到质量流量, 即:

H O q m =q v ×Q 2

量, m /h; Q H O 为水的密度, kg /m 。2

(3) 热流密度:热流密度由加在实验段上的电加

热功率除以受热面积而得到, 即

=(3) s in 2

式中:q 为热流密度, W/m ; U 为电压, V; I 为电流,

q =

A; d in 为管内径, m; L 为管长, m 。

(4) 对流换热系数:平均对流换热系数h 由下式计算

h ==t w -t i

式中:t w 为壁面温度, ℃; t i 为工质温度, ℃。4　实验结果及讨论

从工程上易于应用和便于对比的角度, 分别采用甲醇、甲醇和甲苯混合物(重量:10%甲醇+90%甲苯) 作为实验工质。

图2～图5代表单工质甲醇在流量为160L/h (0. 044kg /s ) 、220L /h (0. 061kg /s ) 、320L /h (0. 088kg /s ) 、420L /h (0. 117kg /s ) 时光管、直槽管、螺旋槽管的流动沸腾换热特性曲线。从图中可以看出:在流动沸腾换热情况下, 相同热流密度时螺旋槽管的壁面温度远低于光管, 而且流量较低时更为明显, 如在流量为160L /h (0. 044kg /s ) 时, 当热流密度为20kW/m 2时螺旋槽管的壁面温度比光管壁面温度低20℃左右。因此可以得出螺旋槽管对降低壁面温度有比较明显的效果, 可以明显起到强化传热作用。但是直槽管的壁面温度反而略高于光管, 这

图5　甲醇在流量为420L /h 时换热曲线图4　甲醇在流量为320L /h

时换热曲线

说明直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能

起到强化传热作用。

图2　甲醇在流量为160L /h

时的沸腾曲线

(2)

图3　甲醇在流量为220L /h

时换热曲线

式中:q m 为工质质量流量, kg/s; q v 为工质体积流

(4)

图6～图9分别表示单工质甲醇在流量为160

220L /h (0. 061kg /s ) 、320L /h L /h (0. 044kg /s ) 、

(0. 088kg /s) 、420L/h(0. 117kg /s) 时光管、直槽管、螺旋槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线。从图中可以看出:在相同壁面温度下, 螺旋槽管

的对流换热系数高于直槽管和光管。如在流量为160L/h(0. 044kg /s) 时, 当壁面温度为40℃时螺旋槽管的对流换热系数是光管的2. 8倍左右, 最差也可以达到光管的1. 5倍左右。而在较低流量下直槽管的对流换热系数仅略高于光管, 在较高流量下则二者对流换热系数曲线几乎重合。这同样说明了螺旋槽管可以有效强化传热, 而直槽管在实验所能达到的壁面过热度条件下不能起到强化传热作用。

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流量时光管、直槽管、螺旋槽管的对流换热曲线几乎重合, 因此可以得出在流量较高时螺旋槽管可以起到强化传热作用。而光管和直槽管的换热曲线几乎重合, 甚至相同热流密度下光管的壁面温度反而低

于直槽管, 所以对混合工质来说, 直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能起到强化传热作用。图14～图17分别表示混合工质在流量为160L/h(0. 044kg /s ) 、220L /h (0. 061kg /s ) 、320L /h (0. 088

图6　甲醇在流量为160L /h 时对流换热系数和

壁温依变关系

420L /h (0. 117kg /s ) 时光管、直槽管、螺旋kg /s ) 、

槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线。从图中同样可以看出:流量较低时, 螺旋槽管、光管、直槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线相差不大, 而在流量较高时相同壁面温度条件下螺旋槽管的对流换热系数则高于直槽管和光管, 如在流量为320L /h 时在相同壁面温度下螺旋槽管的对流换热系数最大可以达到光管的1. 5倍, 最小也可以达到光管的1. 2倍。所以说在较高流量下螺旋槽管对混

图7　甲醇在流量为220L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

合工质具有明显的强化传热作用。而光管和直槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线几乎重合, 说明对混合工质来说,

直槽管在实验所能达到的壁

图8　甲醇在流量为320L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

图10　混合工质在流量为160L /h

时的换热曲线

图11　混合工质在流量为220L /h 时的换热曲线

图9　甲醇在流量为420L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

图10～图13分别表示混合工质在流量为160L/h(0. 044kg/s) 、220L/h(0. 061kg /s) 、320L/h (0. 088kg /s) 、420L/h (0. 117kg/s) 时光管、直槽管、螺旋槽管的对流换热曲线。从图中可以看出:在流动沸腾换热情况下, 较高流量时相同热流密度下螺旋槽管的壁面温度低于光管和直槽管, 而在较低

图12　混合工质在流量为320L /h 时的换热曲线

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面温度条件下不能起到强化传热作用。

5　理论分析

文献[3, 4]研究了带有微槽的不锈钢平板上的沸腾换热特性, 建立了微槽沸腾换热的理论模型, 给

出了微槽强化沸腾传热的的原理。文献[5]总结了微槽强化相变换热的各种模型。从微观的角度给出了微槽强化相变换热的理论解释。

如果要从理论上给出微槽对流动沸腾换热特性

图13　混合工质在流量为420L /h

时的换热曲线

影响的合理解释, 不外乎三点:一是管内壁刻槽增加了内表面的面积。二是微槽的存在改变了管内流体的流动形态。三是微槽的存在改变了流动边界层和热边界层的厚度。由于直槽管和螺旋槽管同样增加了管内表面积, 但是实验结果表明螺旋槽管可以明显起到强化传热的作用, 而直槽管几乎没有起到强化传热的作用, 所以, 内表面积的增加并不是微槽强化流动沸腾换热的主要因素。文献[6, 7]认为由于微

图14　混合工质在流量为160L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

槽内液体的温度高于其它部分流体的温度, 而由于温度的升高, 这部分流体的热物性发生了改变, 引起流态的改变, 从而改变了流动沸腾换热特性。但是这一点无法解释为什么直槽管不能起到强化传热的作用。本人认为, 由于螺旋型微槽使得贴近壁面的流体形成一种环状流动, 相当于对流体增加了一种扰动作用, 从而降低了流动边界层的厚度, 温度边界层也就相应地变薄, 从而起到强化传热作用; 而直槽管对流动的扰动作用并不明显, 所以没有强化传热效果。当然, 这种解释是建立在假设的基础上的, 还需要进一步的理论证明。6　结论

综合以上对单工质甲醇、甲醇和甲苯混合工质在各种流量下螺旋槽管、直槽管、光管的流动沸腾换热实验及理论分析, 可以得到以下结论:

(1) 对单工质甲醇来说, 在相同热负荷下, 螺旋

图15　混合工质在流量为220L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

图16　混合工质在流量为320L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

槽管对降低壁面过热度有明显的效果。

(2) 对混合工质来说, 当流量较低时, 螺旋槽管强化传热效果不明显, 而在流量较高时, 强化传热效果比较明显。

(3) 无论是单工质还是混合工质, 直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能起到明显的强化传热效果。

(4) 把甲醇工质的实验结果和以甲醇和甲苯的混合物为工质时的实验结果比较一下不难看出:对

图17　混合工质在流量为420L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关系

以甲醇作为工质时螺旋槽管的强化传热作用要比以甲醇和甲苯混合物作为工质时的强化传热作用更为

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明显。

(5) 关于螺旋槽管强化传热的原因, 可能是由于螺旋型微槽的存在对流动产生一种明显的扰动作用, 使得流动边界层和热边界层变薄, 从而起到强化

传热作用。而直槽管的扰动作用不明显, 所以不能起到强化传热作用。

参考文献:

[1]　章熙民, 等. 传热学[M ]. 北京:中国建筑工业出版社,

1997.

[2]　施明恒, 等. 沸腾与凝结[M ].北京:高等教育出版社,

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(上接第4页)

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1200℃高风温的生产实践[J ].钢铁, 1997, 32(7) :4-6.

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文章编号:1002-1639(2001) 03-0010-05

强化管内沸腾换热实验研究

颜　岩1, 肖玉吉2, 陈　泽2, 彭晓峰1

(1. 清华大学热能工程系, 北京100084; 2. 山东早春集团, 山东, 淄博256404)

中图分类号:TK 175; T K 172　　文献标识码:A 　　

Experimental Study of Enhancing the Boiling Heat Transfer in Tubes

YA N Ya n 1, XIA O Yu -ji 2, CHEN Ze 2, PEN G X iao -feng 1

1　前言

[1, 2]

壁厚为3. 0mm 的圆管进行管内流动沸腾换热m m 、

所示。

。研究表明在平板上刻微槽是一

种有效的强化沸腾换热的手段并从理论和实验方面

2　实验装置及实验过程

本实验采用的是外径为19mm 、管长为500

收稿日期:2001-04-04

作者简介:颜　岩(1974-　) , 男, 在读博士生, 主要从事强化传

热和烟气脱硫中的传热传质分析;

彭晓峰(1961-　) , 男, 教授, 博士生导师, 主要从事相变传热、多孔介质传热、工业加热节能技术的研究工作.

图1　实验系统图

3　实验数据的采集和处理

实验中需要测量的参数有:实验段壁面温度、工质进出口温度、工质流量、电加热器所用电流、电压。

其中, 实验段壁面温度由焊接在管壁的6对热电偶通过Hp 数据采集系统测得。工质进出口温度由安装在进出口连接管路上的两对热电偶通过Hp 数据

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采集系统测得。工质流量由浮子流量计测得。电加热器所用电流由安培表测得, 电压由Hp 数据采集系统测得。并采用如下方式整理数据:

(1) 温度:工质的定性温度采用进出口工质的平

均温度。即

in out

(1)

实验段壁面温度采用6对热电偶测得温度的算T i =

(2) 工质流量:由浮子流量计读得的流量相当于以水为工质时的体积流量, 则该体积流量乘以水的密度就可以得到质量流量, 即:

H O q m =q v ×Q 2

量, m /h; Q H O 为水的密度, kg /m 。2

(3) 热流密度:热流密度由加在实验段上的电加

热功率除以受热面积而得到, 即

=(3) s in 2

式中:q 为热流密度, W/m ; U 为电压, V; I 为电流,

q =

A; d in 为管内径, m; L 为管长, m 。

(4) 对流换热系数:平均对流换热系数h 由下式计算

h ==t w -t i

式中:t w 为壁面温度, ℃; t i 为工质温度, ℃。4　实验结果及讨论

从工程上易于应用和便于对比的角度, 分别采用甲醇、甲醇和甲苯混合物(重量:10%甲醇+90%甲苯) 作为实验工质。

图5　甲醇在流量为420L /h 时换热曲线图4　甲醇在流量为320L /h

时换热曲线

说明直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能

起到强化传热作用。

图2　甲醇在流量为160L /h

时的沸腾曲线

(2)

图3　甲醇在流量为220L /h

时换热曲线

式中:q m 为工质质量流量, kg/s; q v 为工质体积流

(4)

图6～图9分别表示单工质甲醇在流量为160

220L /h (0. 061kg /s ) 、320L /h L /h (0. 044kg /s ) 、

(0. 088kg /s) 、420L/h(0. 117kg /s) 时光管、直槽管、螺旋槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线。从图中可以看出:在相同壁面温度下, 螺旋槽管

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图6　甲醇在流量为160L /h 时对流换热系数和

壁温依变关系

420L /h (0. 117kg /s ) 时光管、直槽管、螺旋kg /s ) 、

图7　甲醇在流量为220L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

合工质具有明显的强化传热作用。而光管和直槽管的对流换热系数与壁面温度的关系曲线几乎重合, 说明对混合工质来说,

直槽管在实验所能达到的壁

图8　甲醇在流量为320L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

图10　混合工质在流量为160L /h

时的换热曲线

图11　混合工质在流量为220L /h 时的换热曲线

图9　甲醇在流量为420L /h 时对流换热系数和

壁温的依变关系

图12　混合工质在流量为320L /h 时的换热曲线

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面温度条件下不能起到强化传热作用。

5　理论分析

文献[3, 4]研究了带有微槽的不锈钢平板上的沸腾换热特性, 建立了微槽沸腾换热的理论模型, 给

出了微槽强化沸腾传热的的原理。文献[5]总结了微槽强化相变换热的各种模型。从微观的角度给出了微槽强化相变换热的理论解释。

如果要从理论上给出微槽对流动沸腾换热特性

图13　混合工质在流量为420L /h

时的换热曲线

图14　混合工质在流量为160L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

综合以上对单工质甲醇、甲醇和甲苯混合工质在各种流量下螺旋槽管、直槽管、光管的流动沸腾换热实验及理论分析, 可以得到以下结论:

(1) 对单工质甲醇来说, 在相同热负荷下, 螺旋

图15　混合工质在流量为220L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

图16　混合工质在流量为320L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关

系

槽管对降低壁面过热度有明显的效果。

(2) 对混合工质来说, 当流量较低时, 螺旋槽管强化传热效果不明显, 而在流量较高时, 强化传热效果比较明显。

(3) 无论是单工质还是混合工质, 直槽管在实验所能达到的壁面温度条件下不能起到明显的强化传热效果。

(4) 把甲醇工质的实验结果和以甲醇和甲苯的混合物为工质时的实验结果比较一下不难看出:对

图17　混合工质在流量为420L /h 时的

对流换热系数和壁温的依变关系

以甲醇作为工质时螺旋槽管的强化传热作用要比以甲醇和甲苯混合物作为工质时的强化传热作用更为

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工业加热》2001年第3期

明显。

(5) 关于螺旋槽管强化传热的原因, 可能是由于螺旋型微槽的存在对流动产生一种明显的扰动作用, 使得流动边界层和热边界层变薄, 从而起到强化

传热作用。而直槽管的扰动作用不明显, 所以不能起到强化传热作用。

参考文献:

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强化管内沸腾换热实验研究

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