微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究

微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究 微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究 第26卷第5期 2005年9月 工程热物理学报 JoURNALOFENGINEERINGTHERMOPHYSICS Vol_26.NO.5 Sep.,2005 微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究 赵鹏飞毕勤成杨朝初陈听宽 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,陕西西安710049) 摘要微小通道内相变换热具有热流密度高,单位体积内换热面积大,结构紧凑等特点,成为高效紧凑式换热器设计 的重要途径.本文以氟利昂Rll3为工质,完成了0.7,1.1和1.4mm的圆形小通道内的流动沸腾实验,对小通道内流 动沸腾换热特性进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,拟合了计算沸腾换热特性的实验关联式,为工程实际应用提供参考. 关键词小通道;氟利昂;沸腾;传热;两相流 中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:0253231X(2005)05—0802—03 FL0WB0ILINGHEATTRANSFERINSIDEMINIATURECHANNELS ZHAOPeng—-FeiBIQin—-ChengYANGZhao—-ChuCHENTing—-Kuan (xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,China) AbstractBoilingheattransferinsideminiaturechannelssharestheadvantagesofhighheattra nsfer rate,largeheattransferareawithinunitvolume,andcompactinconfiguration,therefore,itisu sedin high—efficiencycompactheatexchanger.FlowboilingofFreonR一113insideminiaturecirculartubes withinnerdiametersof0.7.1.1and1.4mmwasexperimentallystudied.Theboilingbehaviors inside miniaturetubeswerediscussed.Boilingheattransfercoefficientswereobtainedandcurve— fittedto provideasareferenceforthedesignofcompactheatexchanger. Keywordsminiaturechannels;freon;boiling;heattransfer;two—phaseflow 1——L———一上月IJ舌 随着制冷,汽车,航天等工业的迅速发展,减小 体积,降低能耗,改善换热效率越来越成为人们的 共识.相应的工业应用中对部件体积的限制变得更 加苛刻,迫切要求设计出高效紧凑式换热器.减小换 热器内通道水力直径,是高效紧凑型换热器强化传 热设计的基本途径之一,也已进行了一些相关的研 究.Lazarek和Black,Wambsganss等人,Tran, Kew和Cornwell等学者采用氟利昂等工质,对直径 为0.53.1mm的圆管进行了换热系数,压降和临界 热流密度的研究,研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:小通道内流动沸 腾换热特性有别于常规通道,换热机理尚未明了, 有些结论还相互矛盾,无法满足工程实际的需要.详 细的研究进展参见文献『11.因此有必要对微小通道 内的两相流和沸腾换热及其机理进行进一步研究, 本文正是基于这个目的进行的研究. 2实验系统 实验系统,实验方法等参见文献[1]. 实验段为不锈钢管,有1.4,1.1和0.7mm三 种,长度是内径的250倍.实验段由过渡段,测量 段(加热段),保温层,热电偶,取压件和加热电极 组成.工质进,出口温度由铠装热电偶测定.实验段 通过大电流,由管壁本身的电阻来产生热量,维持 加热功率不变以实现恒定热流密度的加热条件.实 验段通道外壁面上均匀分布有热电偶来测量沿通道 长度方向的外壁温度,进而计算内壁温度.热电偶 采用0.1mm的镍硌一镍硅热电偶,点焊于测量段外 表面.测量段的进出口还安装了引压管,用于测量 实验段的工作压力以及流动压降.实验中还测量了 流量,压力和加热功率等参数. 所有的实验都是在实验段出口为大气压力状态 下完成,并在逐步增加热流密度的条件下进行的. 3实验数据处理方法与结果 由于工质氟利昂的热物性参数随压力,温度变 化剧烈,而微小通道内的两相流动沿通道长度的压 力梯度较大,导致物性的变化也很大,因而给沸腾 收稿日期:2004—11-27;修订日期:2005.06—27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50176039);陕西省自然科学基金资助 项目(No.2002E208) 作者简介:赵鹏飞(1978-),男,陕西渭南人,硕士,主要从事多相流动与传热的研究工 作. 5期赵鹏飞等:微小圆通道内流动沸腾换热特性的研究 换热系数的计算带来困难本文处理方法如下: ?出口压力确定热物性参数,根据能量平衡计算 出口干度;?由实验整理得到流动沸腾压降特性,确 定各热电偶测点处的局部压力,由局部压力确定热 电偶测点处的热物性参数,计算该点的局部干度, 并确定局部流体温度?由实验测得的实验段外壁 温求得内壁温,根据电加热功率,热效率,即可计算 该点的局部换热系数. 通过实验得到不同管径的无量纲沸腾换热系数 随干度的变化趋势,并拟合了相应的实验关联式: hTp hl:RosPo一 其中,Martinelli数由下式确定 = (了1--X).(( 公式中的系数: 1.4ram通道 1.1mm通道 0.7ram通道 ab 1.6670.8 0.83330.9 0.33781.1 C 0.031 0.035 0.039 4实验结果分析与讨论 4.1干度对沸腾换热系数的影响 图1显示了不同直径的圆管内沸腾换热特性的 对比.如图所示,在高干度条件下,换热系数随干度 的增加不断增加.其原因是:高干度条件下,流型处 于环状流,液膜厚度变薄;随着通道直径的减小,液 膜不稳定性增强,使液相的蒸发增强,两相沸腾换 热增强;液膜的变薄也使得液相的蒸发速度增加, 从而使换热系数随干度的增加而不断增加. ,/x 图l不同管径换热特性的比较 在低干度条件下,1.1mm和0.7mm的小通道 中的无量纲换热系数小于1.4mm通道中的值.原因 可能是:随着通道直径的减小,表面张力对气弹和 环状液膜的作用增大;管壁热流使薄液膜区局部过 热,发生局部蒸干,导致平均换热系数降低. 4.2质量流速对换热特性的影响 对于给定的小通道,质量流速,干度以及工质 的热物性共同决定沸腾换热系数.假设空气一水的 流型图适用于氟利昂蒸气一氟利昂液,采用空气一 水流型实验得到的流型图【,可定性分析质量流速 对沸腾换热的影响,如图2所示 /ms- 不同气体干度不同质量流率不同流型 图2质量流速与干度对流型的影响 图2表明:在不同的质量流速条件下,即使相 同的干度,也不能保证通道内部两相流流型一致,进 而换热机理不同,导致换热系数的计算偏差较大 在大流量,高干度条件下进行的是通过液膜的两相 强制对流换热,流型为搅拌流或环状流;而对于小 流量,其两相流动的流型大部分处于弹状流或弹环 状流. 参考流型实验得到的典型流型【J: (a)Us9=o.1m/s =0.15m/s 鏖,蘸蠢墓 霸— ,嗡 - _— (b)Us9=2.5m/s Usl=0.1m/s 图3弹状流与弹环状流相分布图(d=1.89mm) 由图3可以看到,气弹(气芯)占据了绝大部分 流通截面,小直径管中表面张力作用增强,使气弹 周围的液膜厚度变薄在沸腾换热过程中,薄液膜 很容易在壁面的大热流密度条件下发生局部蒸干现 象,发生壁温随时间的波动.观察到的同一热流密 度,质量流速,不同干度条件下的壁温波动情况,如 图4所示. T程热物学报26卷 图4不同干嫂餐件下的壁温波动 由图4可知,芷干度为0.1和0.4时,壁温波动 较小,而干度为0.05的情况下,壁温波动剧烈,证 明通道内部的沸腾换热的确出现了局部蒸于.由于 局部蒸干现象的存在,必然导致低干度弹I犬流条件 下的换热规律不同于其它流型.低于度条件下的换 热规律,实验结果如5所示. 图5低干度祭件下的换热特性 5表明,在低干度条件下的沸腾换热系数受 质量流速的影响很大:高质量流速条件下,尤量纲换 热系数随干度的增加而减小,达到某一临界值后, 无量纲换热系数随干度的增加增加;小质量流速 条件下,无量纲换热系数随干度的增加增加.这 是因为在小质量流速时的热流密度很低,不足以造 成局部蒸干;随着下度的增加,两相混物的流速 增加,换热系数ti土随之增加.I高质最流速时,要达 到相同的干度需要的热流密度要高得多,在弹 状流时会出现局部蒸干,换热系数随干度的增加而 减小.随着干度的增加,两相混合物的流速增加,两 相换热加强,特别是形成弹环状流和环I犬流后,进 入两相强制对流换热区,换热系数随干度的增加 增加. 4.3通道直径对换热特性的影响 从图1可以看到,随着通道直径的减小,两相 强制对流换热区的拟合公式斜率会增大,1.1inm 和0.7lnm的通道的无量纲换热系数小于1.4mm 的无量纲换热系数,在较低的干度条件下(核态沸腾 区),实验结果偏离拟合公式,通道直径的减小,核 态沸腾换热会发生存较高的干度条件下. 下面采用无量纲表面张力对小通道的换热现象 进行解释.无量纲表面张力的定义式为lJ: : 厶[Apgsin0+(dP/d1)(Ap/p1)]d. 在低干度条件下,沸腾换热流动状态处于弹状 流流型,随着通道直径的减小,无量纲表面张力不 断增大,管壁对气掸的约束强烈,使得气弹周围的 液膜变薄;管壁热流易使薄液膜区局部蒸干,发生 局部传热恶化,导致平均换热系数降低. 当干度进一步增加,气相表观速度增大,流型发 展为弹环状流(环状流),气液相的内部压差减小, 随着通道直径的减小,Kelvin—Helmholtz不稳定性 和表面张力共同作用,使液膜不稳定性增强,液相 的蒸发增强,两相沸腾换热增强.囚此,高干度条件 下,换热系数随干度的变化随着通道直径的减小而 增加. 根据1,随着通道直径的减小,两相强制对 流换热发牛芷较高的Martinelli数倒数时,也即较高 的干度条件下.根据流型实验结果lJ:随着通道直 径的减小,弹环状流和环状流发生往吏高的气相表 速度条件下,弹状流占据的范越来越大;发生 弹环状流的气相表速度不断增加,弹状流向弹环 :I犬流的转变干度升高,也就是Martinelli数的倒数升 高.这表明:两相强制对流换热区域会随着通道直 径的减小,发生在越来越高的干度条件下,这与实 验结果是吻合的. 5结论 通过小通道内流动沸腾实验得到了不同管径的 无量纲沸腾换热系数随干度的变化趋势,并拟合了 相应的强制对流沸腾换热实验关联式.还定性地分 析了沸腾换热系数受质量流速,干度,通道直径的 影响:低干度,低质量流速时,无景纲换热系数随干 度的增加增加;低干度,高质量流速时,无量纲沸 腾换热系数随干度的增加先降低再升高;随着通 道直径减小,核态沸腾换热区的干度增大.这些结 论可为探索微小通道流动沸腾换热机理提供参考. 参考文献 [1】越鹏飞.蚓彤微通道气液两十n流流型,胜降与沸腾换热特 性的研究:[硕十论文】.西安:西安交通大学,2004