微細管殼式換熱器傳熱性能及其分析

戴傳山，　王秋香，　李　彪，　孫平樂

（天津大學機械學院，天津３０００７２）

摘要：對微細管管殼式換熱器的流動與傳熱性能進行了實驗研究。根據實驗獲得的微細圓管換熱器對流傳熱努謝爾特數準則式與流動阻力系數的準則式，分析了微細管管殼式換熱器的傳熱流動綜合性能，并與傳統的管殼式換熱器進行了分析對比。結果表明：微細管管殼式換熱器傳熱流動綜合傳熱性能是傳統管殼式換熱器的２到５倍，且在實驗范圍內隨著雷諾數的增加而增加。
    關鍵詞：微管；傳熱；流動；綜合性能
    中圖分類號：ＴＫ１２４文獻標識碼：Ａ
    文章編號：１６７１－８０９７（２０１１）０４－０２８３－０４　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－８０９７．２０１１．０４．００１
    ０　引　言
    隨著微電子技術和微納米技術的發展，在航空航天、醫療、化學、生物等領域，高密度微元器件的冷卻出現了問題，比如超大規模集成電路的熱障問題，微電子機械系統的流動傳熱問題等，引發眾多學者對微尺度流動傳熱的極大關注。
    石油、化工各工業領域都在大力發展大容量、高性能傳熱設備，且對傳熱設備的尺寸和重量有著特殊的要求，因而體積微小、單位體積傳熱面積很大的微小型化的換熱器將成為傳熱設備生產發展的趨勢。
    國內外對微尺度的流動和傳熱研究比較重視，我國對該方面的研究經費投入在不斷增加，取得了一些研究成果。彭曉峰等針對微槽道內流動沸騰提出了擬沸騰概念［１］。周繼軍等通過微通道實驗得到的ｆＲｅ值高于傳統理論預測值，表明微槽道的表面粗糙度對流動和傳熱有重要的影響［２］。宋靜等［３］采用４００μｍ光滑玻璃管內氮氣／水，氮氣／乙醇、氮氣／羧甲基纖維素鈉（ＣＭＣ）兩相流動特性進行的流動阻力實驗，研究的結果表明，不同流體的摩擦壓降都會隨著表觀氣速和表觀液速的增加而呈現上升的趨勢。蔣潔等［４］對矩形微尺度通道中的流動阻力和傳熱特性進行的實驗研究結果表明，微尺度通道中流體流動的摩擦阻力較小。
    微尺度通道中對流傳熱的Ｎｕ也與常規尺度通道的顯著不同：流量較小時，Ｎｕ較常規尺度通道中充分發展段的小；隨著水流量的增加，微通道的Ｎｕ迅速增加，并很快超過常規尺度通道的Ｎｕ，表現出微尺度效應。
    國內外對微槽道的研究內容比較多，而針對微管的研究并不多見。其原因主要有：１）在許多工藝過程中，微管表面并不是直接發熱表面，因此，針對微管的研究主要出現在微熱管或單毛細管傳熱與流動；２）微細管換熱器的加工制作工藝相對微通道比較難，但是值得指出的是圓形結構依然是生物界中的最優化結構［５］。
    然而，微尺度內流動傳熱問題非常復雜，雖然研究取得了一些成果，但同時還存在一些問題，需要進一步豐富實驗研究，積累數據，加深微尺度為流動傳熱問題的認識，并盡可能的用來指導微型高效傳熱設備的設計。
    本文對一種微細管殼式換熱器進行了傳熱與流動阻力的實驗研究，分析了該形式換熱器的傳熱與流動的綜合特性，以期為高效微管傳熱性的設計提供指導。
    １　實驗系統
    本文的實驗對象是自行設計加工的類似于管殼式換熱器的微管管束換熱器。其中，微細圓截面傳熱紫銅管６１根，管內徑０．６８ｍｍ、外徑１．０ｍｍ、長１５４ｍｍ。

           
    整個實驗系統是一個封閉狀態，如圖１所示，選用Ｒ１４２ｂ作循環工質，工質通過計量泵來提供動力或壓力進行循環。冷、熱源溫度分別用兩個恒溫水浴來實現，同時安裝了溫度、流量、壓力的傳感器以及安捷倫數據采集設備。循環工質由計量泵升壓后，進入質量流量計測得其流量，然后被送入微管換熱器與熱源傳熱。被熱源加熱的循環工質進入冷卻器冷卻至合適溫度再被泵吸走構成循環。
    ２　實驗結果討論
    用威爾遜圖解法處理實驗數據，擬合針對微管管束管內單相強制對流傳熱Ｎｕ準則式，并與已有相關文獻比較揭示微管傳熱的特性。研究微管管內壓力降與質量流量的關系；摩擦阻力系數ｆ與Ｒｅ的關系并與常規尺度下的值進行對比分析。定義換熱器傳熱流動特性綜合評價指標，與常規尺度管殼式換熱器對比分析突出微細管換熱器的優勢。
    ２．１　微管內傳熱關聯式的提出
    在微管換熱器管內、管外傳熱性能實驗數據的處理上，本文假設：１）實驗用微細銅管具有相同的表面粗糙度；２）每根傳熱管內工質質量流量相同，即無流體分布不均現象；３）沿微細銅管管壁的軸向導熱可以忽略不計；并假設管內平均傳熱Ｎｕ準則式為：

            
    通過調整ｎ用最小二乘法線性擬合，使盡量多的實驗數據落在擬合直線上，從而確定Ｒｅ的最佳指數ｎ。用計算機編程計算得到ｎ＝１．０８，平均擬合偏差為３．５％。此時微管管束管內單相強制對流傳熱Ｎｕ準則式見式（２），實驗Ｎｕ與計算Ｎｕ的對比見圖２，Ｎｕ隨Ｒｅ的變化與常規管換熱器的對比見圖３。

            
    ２．２　微細管換熱器管側阻力特性
    實驗中微管換熱器水平安裝，流體在水平微管內流動重力壓降可忽略。因為實驗工質Ｒ１４２ｂ的不可壓縮性，工質在微管換熱器進出口密度變化很小，加速壓降不超過１０Ｐａ，故可以忽略。達西摩擦系數ｆ整理成：

             
    圖４表示在不同的微管管外流速下，微管管內壓降隨微管管內工質質量流量的變化關系。微管管內壓降隨管內工質質量流量的增加急劇增加，實驗點分布比較離散。

             
    圖５為通過最小二乘法得到的ｆ與Ｒｅ最佳擬合關系式。

             
    實驗結果表明：微管管內摩擦阻力系數ｆ明顯高于常規尺度層流摩擦系數，本文認為微細管內表面粗糙度對流動壓降、流體流態有很大影響。壓降摩擦阻力系數ｆ從０．４５降到０．１５。遠大于Ｍｏｏｄｙ圖給出層流范圍的摩擦系數，常規尺度的摩擦系數理論也許在這里已不再適用。

             
    ２．３　微細管換熱器管內的傳熱與流動綜合性能
    分析可知，微細管管殼式換熱器管內單相強制對流傳熱Ｎｕ比常規尺度Ｎｕ要高１．６～３．８倍，與此同時也帶來微細管內壓力降的增長，為了評價微細管換熱器的整體性能，引入換熱器傳熱流動特性綜合指標Ｎｕ·ｆ１／３。通過實驗數據整理可得本實驗用的微細管換熱器的傳熱流動特性綜合指標。

             
    由圖６可知，強化倍數隨Ｒｅ的增加而增加，即在較大Ｒｅ下，微細管換熱器比常規管的傳熱流動綜合性能的強化倍數更高。本文實驗管殼式微細管換熱器的傳熱流動綜合性能，與傳統的管殼式換熱器相比，前者傳熱流動綜合傳熱性能是后者的２．４５到５．５８倍，且在實驗范圍內隨著Ｒｅ的增加而增加。

             
    ３　結　論
    本文對微細管管殼式換熱器的流動與傳熱性能進行了實驗研究。整理出了微管管內單相強制對流傳熱Ｎｕ準則式，并與已有相關文獻比較揭示微管傳熱的特性。結果表明：
    １）管內單相強制對流傳熱Ｎｕ比常規尺度Ｎｕ要高１．６～３．８倍，且在實驗范圍內隨著Ｒｅ的增加而增加。
    ２）微管管內摩擦阻力系數ｆ明顯高于常規尺度層流摩擦系數，且微細管內表面粗糙度對流動壓降、流體流態有很大影響。壓降摩擦阻力系數ｆ從０．４５降到０．１５。遠大于Ｍｏｏｄｙ圖給出層流范圍的摩擦系數，常規尺度的摩擦系數理論在這里已不再適用。
    ３）本實驗管殼式微細管換熱器的傳熱流動綜合性能是傳統的管殼式換熱器的２．４５到５．５８倍，且在實驗范圍內隨著Ｒｅ的增加而增加。
    參考文獻：略