传热换热器的传热与阻力研究.docx

传热换热器的传热与阻力研究《热能动力工程杂志》2014年第三期1实验系统介绍1．1实验装置传热与阻力特性实验在具有自主专利技术的电场/脉动流混合强化传热换热器实验台上进行［11］。实验系统布置如图1所示主要由热水循环、冷水循环、高压发生器、脉动流发生器、换热器本体、采集测试等系统组成。实验以水为工质热水工质由热水泵驱动从热水恒温水箱进入换热器管程经循环管路回流至热水恒温水箱热水恒温水箱内置加热电阻丝对其进行加热保温;冷水工质由冷水泵驱动从冷水箱流入换热器的壳程在换热器本体换热后经回路流回至冷水箱。管壳程入口处安装有电磁流量计显示由变频器调节的管壳程流量值。在换热器本体的管程和壳程的出入口分别布置温度变送器管程出入口布置压力变送器监测温度与压力值。图1实验装置示意图Fig．1Schematicdrawingofthetestdevice电极布置如图2(a)所示线电极置于换热管轴线位置并贯穿换热管管程和壳程分别接地电极线一端与高压电发生器相连另一端绝缘密封。线电极在换热管管口处的绝缘密封装置如图2(b)所示换热管两端管口外周加工有螺纹配合2个管口螺母使用;端子为金属圆棒端子外圆周上加工有螺纹与压紧螺母配合端子与电极相连;电极通过电极固定塞固定电极固定塞为绝缘材质;将电极引出端子穿入电极固定塞孔中压紧螺母可将电极固定于换热管中最后通过管口螺母可将换热管管口密封。高压电源为直流电选用高压直流电场发生设备输出电压为0－40kV操作电流1mA由于电流很小电场完全屏蔽在工程应用中安全且可行。1．2实验条件在实验过程中脉动流发生器植入于换热器管程入口端使管程内流体呈现出脉动流动形式进而增强管内流体的扰动实验中壳程流量保持不变设为5．0m3/h管程流量(因脉动流作用管程流量指管内时均流量下同)选取5组分别设定为0．1、0．2、0．3、0．4和0．5m3/h以此考察不同管内流量下的换热与阻力特性。高压电极线布置于换热管中心接通高压电后使得换热管内的流体处于高压电场作用下实验中设定不同的电极电压分别为10、20、30和40kV。在每一组管程流量条件下均开展不同脉动频率(0、1、2和3Hz)和不同电极电压的混合强化传热和阻力性能实验频率f=0时为稳态流。表1为实验相关参数。2实验内容2．1传热计算在不同脉动流参数和电压参数下进行EHD/脉动流的混合强化传热实验通过计算换热器的总传热系数来衡量这种混合强化传热方式的换热效果。在实验中换热器保温良好近似于无热量损失单位时间内管程放热量等于壳程吸热量当管壳程热冷流体的换热达到平衡后由布置于管程和壳程出入口的温度变送器测出实时的温度值由传热学公式换算出总传热系数α。2．2阻力计算阻力实验是考察在脉动流和EHD强化传热措施带来的强化效果的同时在不同的脉动流参数和电压参数下换热管内的阻力损失情况。由布置于换热管进出口处的压力变送器测得换热管内的压降值进而衡量换热过程中的阻力损失。3实验结果当实验条件达到预设值且换热稳定后由温度和压力变送器测得管壳程出口温度值和管程进出口压力值并换算出压降限于篇幅仅列出q=0．1m3/h时的数据如表2所示。3．1换热特性分析为了说明EHD/脉动流混合强化传热换热器的传热特性现讨论不同电压和不同脉动流频率下的传热效果图3给出的是同时在换热管中施加电场和脉动流两种强化手段管程入口流量q为0．1－0．4m3/h外加电场0－40kV换热管内脉动流体的脉动频率f为1、2、3Hz脉动幅度A为1管内传热系数α与电极电压U的关系。由图中曲线可知在本次实验范围内单独脉动流作用时α增加并不多随着脉动流频率f的增加α增长仅约0．05倍表明在管内雷诺数1418＜Re＜5722之间时脉动流单独作用时强化效果并不明显。由图3(a)－图3(d)可知电场单独强化作用时随着电压的增大传热系数α有一定幅度的增长且α在低电压区域(0－25kV)增长缓慢在高电压区域(25－35kV)增长较快α最大提高约0．12倍(q=0．1m3/h)这表明施加电场能够起到强化传热的作用这与文献［14］的结论相一致。分析原因当外加电场电压越高流体的离子化程度越高流场中自由电荷增多由此通过自由电荷产生的库伦力也就越大管内流体在流动过程中受到库伦力的径向扰动亦增强故传热系数α增大;在不同的管内流量情况下(0．1－0．4m3/h)α增长呈现出相似的趋势流量越大α提高越多各流量状态下在高电压区域(25－35kV)增长较快超过这个电压值以后α无明显增长趋势表明当管内雷诺数1418＜Re＜5722时流体在电压35＜U＜40kV时离子化程度已经达到饱和状态其强化传热作用已经达到极限即使再继续增加电压其离子化程度也不会增大。由图3(a)－图3(d