三維微肋螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱與流型.pdf

1、螺旋管換熱器因其傳熱性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單而被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)行業(yè)中。螺旋管強(qiáng)化傳熱的根本原因在于彎曲通道的特殊幾何結(jié)構(gòu)可使流體受離心力作用在流道的橫截面上形成二次流，二次流與主流的疊加使流體在彎管內(nèi)形成螺旋運(yùn)動(dòng)，從而使換熱增強(qiáng)。迄今為止，螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱的研究對(duì)象大多是蒸汽-水，重點(diǎn)集中在臨界熱流密度(CHF)等問題，對(duì)制冷劑在螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱的研究不多；在直管中被廣泛采用的強(qiáng)化流動(dòng)沸騰傳熱的微肋表面還沒有被應(yīng)用于螺旋管

2、；螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰流型分區(qū)與轉(zhuǎn)變的研究還不充分。 本文首次將三維微肋表面強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于螺旋管，加工形成新型三維微肋螺旋管換熱元件，以綠色環(huán)保制冷劑R134a為換熱流體進(jìn)行了新型三維微肋螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱與流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。用可視化方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)流動(dòng)沸騰流型的觀察與拍攝，首次得到了R134a在螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰的兩相流型圖及主要流型之間的轉(zhuǎn)變判據(jù)；實(shí)驗(yàn)研究了三維微肋螺旋管流動(dòng)沸騰的傳熱和阻力性能，分析了微肋螺旋管對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱的強(qiáng)化性能

3、及其機(jī)理，得到了基于不同流型的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)和兩相摩擦阻力計(jì)算關(guān)聯(lián)式。 1.首次觀察和拍攝了光滑螺旋管和三維微肋螺旋管內(nèi)R134a流動(dòng)沸騰的兩相流型。兩種螺旋管的流型均可以用泡狀流，塞狀流，分層流，分層—波狀流，間歇流以及環(huán)狀流等來劃分。與管內(nèi)絕熱兩相流相比，流動(dòng)沸騰泡狀流型的形成機(jī)制不同，即使在分層流、間歇流時(shí)也可以觀察到連續(xù)液相中夾雜大量汽泡與主流一同運(yùn)動(dòng)。并且，由于汽泡在加熱壁面的不斷生成，長大與脫離，造成汽—液相界面的

4、劇烈波動(dòng)和液滴的濺射，兩相界面呈現(xiàn)出極不規(guī)則的狀態(tài)。由于螺旋管離心力的作用削弱了重力造成的兩相分層效應(yīng)，使螺旋管內(nèi)更容易形成環(huán)狀流。經(jīng)修正的Mandhane流型圖可以正確反映螺旋管內(nèi)兩相流型的分區(qū)及其轉(zhuǎn)變。但螺旋管分層—波狀流和環(huán)狀流的區(qū)域都比光滑直管Mandhane流型圖的劃分區(qū)域有所擴(kuò)大；Taitel-Dukler流型圖表明光滑螺旋管和三維微肋螺旋管分層—波狀流與間歇流、環(huán)狀流間的過渡曲線基本一致，可表示為Ftd=-0.2177ln

5、Xtt+0.4996；光滑螺旋管和微肋螺旋管間歇流與環(huán)狀流之間的轉(zhuǎn)變曲線分別為Xtt=0.4和Xtt=0.7；G-x流型圖顯示并非在所有質(zhì)量流速條件下，螺旋管內(nèi)都會(huì)依次出現(xiàn)上述的各種流型；當(dāng)質(zhì)量流速G＜100kg/(m2s)時(shí)，光滑螺旋管和三維微肋螺旋管內(nèi)都只有分層—波狀流存在；在一定條件下，分層—波狀流也可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流。 2.實(shí)驗(yàn)測量了三維微肋螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰的阻力性能，其結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，三維微肋螺旋管流動(dòng)沸騰的

6、阻力隨質(zhì)量流速和干度的增加而增大，隨飽和壓力的增加而減小；與光滑直管的阻力特性相比較，三維微肋螺旋管的兩相流動(dòng)阻力增加了26％-130％。用Lockhart-Martinelli方法計(jì)算了螺旋管流動(dòng)沸騰的摩擦壓降，整理出液相摩擦因子與Martinelli參數(shù)Xtt之間的關(guān)系圖線；將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按主要流型分類回歸，首次獲得了基于分層流和環(huán)狀流的具有較高精度的兩相摩擦壓降因子的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，它們與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差分別為13.4％和19.3％

7、； 3.在質(zhì)量流速G=65-380kW/(m2s)，熱流密度q=2.0-21.8kW/m2，質(zhì)量干度x=0.05-0.95范圍內(nèi)，分別對(duì)光滑螺旋管和三維微肋螺旋管的流動(dòng)沸騰傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。兩種螺旋管的局部流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)的基本變化規(guī)律都是隨質(zhì)量流速和熱流密度的增加而增大；在低干度區(qū)，局部傳熱系數(shù)也隨干度增加而增大，但在高干度區(qū)，若質(zhì)量流速較低，熱流密度較高時(shí)，管壁會(huì)出現(xiàn)部分蒸干，螺旋管的局部傳熱系數(shù)隨干度增加反而下降。將

8、光滑螺旋管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與水平光滑直管流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光滑螺旋管平均傳熱系數(shù)比光滑水平直管高出6.0％-15.0％；并且由于液相所受離心力作用強(qiáng)于汽相，導(dǎo)致低干度區(qū)螺旋管的傳熱強(qiáng)化效果比高干度區(qū)更為顯著。三維微肋螺旋管的傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與與光滑螺旋管的比較表明前者對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱具有明顯的強(qiáng)化效果，其平均傳熱系數(shù)比光滑螺旋管提高了50％到170％，且提高的幅度隨著質(zhì)量流速和熱流密度的增加而有所減??；與光滑直管相比，三維

9、微肋螺旋管的平均傳熱系數(shù)增加了65％～200％。螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱機(jī)制是核沸騰和對(duì)流傳熱兩種貢獻(xiàn)的疊加。三維微肋管強(qiáng)化管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱的機(jī)理在于其特殊的表面結(jié)構(gòu)一方面增加了傳熱面積，更重要的是，與光滑表面相比，三維微肋表面使沸騰核化點(diǎn)的數(shù)量大大增加，降低了起始沸騰所需的過熱度，汽泡在受熱表面上更容易生成和長大，從而強(qiáng)化了核沸騰傳熱；另外微肋的存在亦能增強(qiáng)對(duì)液膜的擾動(dòng)，從而也能強(qiáng)化對(duì)流傳熱過程； 4.對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，分別得到