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傳統分離式熱管換熱器的傳熱特性研究

點擊:1650 日期:[ 2014-04-26 21:14:29 ]
                        傳統分離式熱管換熱器的傳熱特性研究                               蘇俊林,陳嵐,王震坤                       (吉林大學熱能工程系,長春130022)     摘要:傳統分離式熱排管換熱管的研究大多數都針對豎直并聯型,而對水平排管串聯型熱管的研究,目前還未見報道。為此,對高強化傳熱分離式熱管換熱器的傳熱性能進行了實驗研究,得到了換熱器冷凝側及蒸發側傳熱系數的經驗公式,以及外部通道對流換熱表面傳熱系數的準則方程式。其研究成果可作為干燥系統中此種換熱裝置設計的參考依據。     關鍵詞:能源與動力工程;分離式熱管換熱器;試驗;充液率;傳熱特性     中圖分類號:TK224.1+2文獻標識碼:A文章編號:1003─188X(2006)07─0161─02     0·引言     熱管作為高效傳熱元件在熱能利用領域中發揮了重要作用[1]。由熱管組成的熱管換熱器有獨特的優點:高效傳熱、低流動阻力、質量輕、體積小,且無運動部件、恒溫特性好等[2]。熱管換熱器已經在農機工程的熱風干燥領域中得到廣泛應用并收到良好效果[3]。近年來,由于其結構優勢,分離式熱管換熱器逐漸受到人們的重視。     分離式熱管換熱器的工作原理與整體式熱管換熱器基本相同。但由于其蒸發段和冷凝段的分離,與單管相比具有諸多優點[4]。傳統多數都針對豎直并聯型分離式熱管換熱器進行研究,而對水平排管串聯型熱管的研究,目前還未見報道。因此有必要對其進行研究,以便為實際應用提供合理依據。本文對這種特殊結構分離式熱管的性能進行了實驗研究,根據實驗結果給出了最佳充液率,并在最佳充液率下以幾種有機物為工質,對換熱器的傳熱性能進行了分析和討論,并提供若干經驗公式。     1·實驗裝置     本實驗所用分離式熱管換熱器如圖1所示。其分別由蒸發器、冷凝器、上升管、下降管等部件組成。蒸發器與冷凝器的高度差為0.5m,足以克服換熱器內的阻力損失,以保證正常運行。在下降管的上部設有集氣器、壓力表和排氣閥,同時排氣閥處還作為注液入口。在下降管的下部裝有排液閥,每次實驗完畢由此排出液態工質。     本文進行的分離式熱管換熱器傳熱特性的實驗研究尚未見報道。它的不同之處在于換熱器的結構不再是豎直單管并聯型,而是水平排管串聯型,沒有上下集箱。內部通道橫截面如圖2所示。內部有縱向肋,對內部工質的沸騰換熱及冷凝換熱均有很大的強化作用。排管外部釬焊有履帶型的翅片,翅片上開有一定傾角的小百葉窗。此結構不但極大地增加了單位體積的換熱面積,也有效地加強了外部熱流體和冷流體的擾動,顯著地強化了外部傳熱。以上介紹的裝置均由鋁合金制成。                      實驗裝置中有兩組離心式風機。風機的進風口處設置了調風板,可通過調整進風口大小來實現風速在12m/s以內的連續調節。風機出口為190mm×115mm的矩形接管,經過長250mm的過渡段,與180mm×180mm的方型風道相通,風道全長1.25m。將分離式熱管換熱器的冷凝器與蒸發器分別置于上下風道中。其中,下風道由以下幾部分構成:一是過渡段;二是加熱段(內裝4根2000W電阻絲,加熱段之所以放在風道前端,一方面是為了使后方風溫均勻,另一方面是為了減少熱輻射給系統造成的誤差);三是整流段(內置整流隔柵);四是平穩段;五是前測量段(在風道上方均勻開設3個測量孔,用來測量風道中的風速;同時,在此橫截面中還均勻布置了9對鎳鉻—鎳硅熱電偶,測量來風風溫);六是工作段(換熱器上均勻鋪設有熱電偶,如圖1中箭頭所示);七是后測量段(9對熱電偶測量出口風溫)。本實驗主要測量的參數是溫度和風速。溫度由40對鎳鉻—鎳硅熱電偶測量,且與兩臺多點記錄儀相接,可循環顯示40個測點的溫度,亦可鎖定一點,觀察其隨時間的變化,此多點記錄儀的精度為0.1級。風速由熱線風速儀測量,由插入測量孔探頭的深度進行控制測點位置,其測量精度為1級。     2·實驗結果與分析     因為目前干燥過程的發展方向為大風量、低風溫,本實驗主要針對較低工作溫度的應用場合,熱風溫度范圍為50~o100℃。因此,選用了低沸點的有機工質,如甲醇、乙醇、乙醚、丙酮等。首先,以丙酮為工質,在7種不同的充液率下,對其進行最佳充液率的實驗研究。研究表明:充液率在80%左右達到最佳狀態,在65%~95%之間,傳熱性能變化不大。     通過對乙醚、甲醇、乙醇、丙酮等有機工質冷     凝側實驗數據的整理,回歸得到以下經驗公式為:                   式中     Kc—冷凝側的傳熱系數(W/m2·℃);     Vc—冷流體的流速(m/s);     qc—單位體積冷流體流過冷凝側的換熱量(J/m3)。     分離式熱管換熱器蒸發側的傳熱系數,經過實驗數據處理可得到如下經驗公式:                    式中     Ke—蒸發側的傳熱系數(W/m2·℃);     Ve—熱流體的流速(m/s);     qe—單位體積熱流體流過蒸發側的換熱量(J/m3)。     分離式熱管換熱器的蒸發側及冷凝側與外部熱、冷流體的對流換熱表面傳熱系數可用實驗得到的準則方程式進行計算。因為冷熱流體均為空氣,而且蒸發側及冷凝側流道形式一樣,都是高度密集的百葉窗翅片通道,所以其準則方程式相同。通過實驗數據處理,熱阻分離擬合出以實驗為基礎的對流換熱準則方程式為:                    式中   Nu—努謝爾準則;            Re—雷諾準則。     努謝爾準則表達式為     Nu=hD/λ     (4)     式中h—冷(熱)流體對流換熱表面傳熱系數(W/m2·℃);     D—冷(熱)側外部流道的當量直徑(m);     λ—冷(熱)流體的導熱系數(W/m2·℃)。     雷諾準則表達式為     Re=vD/μ          (5)     式中v—冷(熱)流體的流速(m/s);     D—冷(熱)側外部通道的當量直徑(m);     μ—冷(熱)流體的動力粘度(kg/m·s)。     3·結論     1)本文設計的分離式熱管換熱器,其結構新穎、緊湊,不但在熱管內部進行了冷凝及沸騰換熱的傳熱強化,而且在熱管外部也采取了高強化傳熱結構。     2)對該形式的分離式熱管換熱器進行了充液率及傳熱特性實驗研究,得到了冷凝側及蒸發側傳熱系數的經驗公式及外部通道對流換熱的準則方程式,可供工程設計使用。 參考文獻: [1]G.P.Peterson.An Introduction to Heat Pipes[M].AWiley:Interscience  Publication,1994:1-7. [2]莊駿,張紅.熱管技術及工程應用[M].北京:化學工業出版社,2000:338-353. [3]許思傳,蘇俊林,王震坤,等.糧食干燥用高效熱管換熱器的設計與實驗研究[J].農業機械學報,1995,(3):75-80. [4]陳遠國.分離式熱管換熱器的研究、應用與評價[A].第三屆全國熱管會議論文集[C].重慶:重慶大學出版社,1991:17-25.
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