文章编号：0253-4339(2009)06-0011-04
DOI编码：10.3969/j.issn. 0253-4339. 2009. 06. 011
R134a卧式螺旋管内流动沸腾换热特性实验研究
邵莉韩吉田陈常念陈文文潘继红
(山东大学能源与动力工程学院济南 250061)
摘要对R134a在水平直管和螺旋管内的沸腾换热特性进行了实验研究。在三个不同的蒸发温度(5℃、10℃和20℃)，工质R134a的质量流量范围为100~400kg/(m2.s)和干度范围为0.1~0.8的条件下，实验得到了R134a在水平直管和螺旋管内的沸腾换热系数随其质量流量和干度的变化关系，将水平直管和螺旋管内的沸腾换热特性数据进行了比较，结果显示，在实验条件下，卧式螺旋管的传热系数比直管的平均增加13.7%。
关键词工程热物理；流动沸腾；螺旋管；制冷剂R134a
中图分类号：TB657.5; TK172 文献标识码：A
Experimental Investigation on Flow Boiling Heat Transfer of
R 3 a in Helically-coiled Tube
Shao Li Han Jitian Chen Changnian Chen Wenwen Pan Jihong
(School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan, 250061, China)
Abstract An experiment was conducted to investigate the flow boiling heat transfer of R134a in a horizontal straight tube and a helically-coiled tube at three saturation temperatures (5℃, 10℃ and 20℃) with the refrigerant mass flux of 100-400 kg/(m2.s), the heat flux of 5-20 kW/m2, and the vapor quality of 0.1-0.8. The influence of vapor quality, heat flux, saturation temperature, and mass flux of R134a on the boiling heat transfer coefficient in the horizontal straight tube and the helically-coiled tube was obtained. The comparison between our experimental results and the data available in literature shows that the boiling heat transfer coefficients of R134a in the helically-coiled tube were 13.7% greater in average than those in the horizontal straight tube under the experimental conditions.
Keywords Engineering thermophysics; Flow boiling; Helically-coiled tube; Refrigerants R134a
螺旋管换热器由于具有结构紧凑、传热效率高和加工制作方便等优点，在核反应堆、电站锅炉、船舶动力、石油化工、航空航天、制冷空调与低温技术等领域得到了非常广泛的应用。迄今为止，国内外对螺旋管内沸腾换热的研究主要是以核反应堆、电站锅炉和蒸汽发生器等为研究背景，采用的主要是水和国际上已要求淘汰的CFC族制冷剂等工质[1-4]，对R134a等新型环保制冷剂在螺旋管内的流动沸腾换热研究则不多[5-15]，因而R134a在螺旋管内沸腾换热特性的基础数据很少。已有研究表明由于离心力和二次流的作用，使螺旋管内的沸腾换热过程比直管内的要复杂得多。因此，R134a在螺旋管内的沸腾换热特性及其与直管内沸腾换热特性的比较研究对于新型螺旋管换热器的设计开发和可靠运行都具有重要的理论意义和工程应用价值。通过对R134a在水平直管和螺旋管内的沸腾换热特性进行实验研究，并对其换热特性数据进行比较分析，从而为以R134a为工质的新型螺旋管换热器的设计开发提供基础数据和设计依据。
1 实验系统和方法
实验装置如图1所示，工质R134a由泵从贮液器通过过滤干燥器输送到预热器，由质量流量计测得其流量。在预热段中工质由可调功率的直流电源通过管壁直接加热实验段达到所需的干度后进入实验段，在实验段中再由可调功率的直流电源通过管壁根据实验要求加热到一定干度或过热蒸汽后进入冷凝器，与来自恒温水浴的冷却水(盐水)分别从螺旋套管式冷凝器的壳侧和管内逆向流动，被冷凝为过冷液体后进入贮液器。在实验系统中的相应位置分别布置了测量制冷剂温度、压力等参数的测点。实验段中制冷剂的进出口温度分别用铠装热电偶测
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50776055)(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (50776055).)作者联系方式：E-mail: shaoli@https://www.doczj.com/doc/1f16982732.html,
收稿日期：2008年12月19日
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量，进出口之间装有高精度压差传感器。在实验段管壁上沿轴向均匀布置热电偶，对每个所测截面周向的上下左右四点进行温度测量。所有测量信号由数据采集系统采集并送入微机进行处理。
预热段和实验段均采用低电压、大电流直流可调稳压电源通过管壁直接加热的方式，因此，其两端都设有绝缘装置。实验段的进出口装有视镜用以观察工质的状态和流型。实验所需的系统压力通过稳压装置以及调节恒温水浴提供的冷却水(盐水)的温度来实现，流过实验段的R134a 流量可通过旁通阀调节。实验系统管路由玻璃纤维绝缘材料隔热。实验所用螺旋管试验段共8圈，内外径分别为8.1mm 和10mm ，螺旋直径和节距分别为300mm 和30mm 。直管实验段与螺旋管实验段有相同的内外径和长度。在全面检查和排除了实验系统的泄漏问题之后，用真空泵将实验回路抽真空，并将R134a 充到系统中。实验所用热电偶在安装前后均经过了严格的校验，压力表，压差计和流量计等也经过了严格的校验。
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数据整理方法
图1
实验系统图
Fig. . Schematic of test facility
实验段中用于加热工质的热量可以通过直流
加热电源的电压和电流计算得到：
(1)沸腾换热的平均传热系数定义为：
2)
式中，热流密度
A i ，T m 和T sat 分别为
螺旋管的内表面积、管壁的平均温度和R134a 的饱和温度。
实验段工质的平均干度定义为：
3)
式中，x in 和x
out 分别为R134a 在实验段进出口处的干度，可以根据预热段和实验段中的能量平衡以及进出口的温度或压力来计算。R134a 的性能参数由REFPROP Version 6.0获得[16]。
沸腾换热的局部传热系数定义为：
4)
式中，T zm 是某一所测截面周向的平均温度，
可由下式计算：
5)
式中，T top 、T i -side 、T o -side 和T bottom 分别是该截面周向上下左右四点的温度。
实验段的局部干度计算如下：
(6) (7)
式中，i in 和?i z 分别为R134a 在实验段进口的焓值和从进口到相应计算位置的焓增。可根据预热段和实验段中能量平衡以及相应的温度和压力计算。x z 、i z 和p z 分别为R134a 的局部干度、焓和压力。
由于实验段进出口的压力损失较小，p z 可以根据实验段进出口的压力由线性插值法求得。
根据Moffat 的实验误差传递分析方法[17]，对实验数据整理方法进行了实验数据的不确定度分析。实验中的直接测量参数有温度、压力(差)和流量等。根据测量仪器的产品说明书和校验数据，直流稳压电源的精度为±1%，工质R134a 质量流量测量的不确定度是±2%，温度测量的不确定度是±0.2℃，压差测量的不确定度为±2%。沸腾传热的平均传热系数和局部传热系数的不确定度分别为±8.32%和±10.5%。
3 实验结果与分析
实验是在三个不同的蒸发温度(5℃、10℃和20℃)，R134a 的质量流量范围为100~400kg /(m 2.s )和干度范围为0.1~0.8，热流密度为5~20kW/m 2条件下进行的。
图2给出了蒸发温度分别是5℃、10℃和20℃，热流密度为5kW/m 2的条件下，沸腾传热的平均传热系数随R134a 的质量流量的变化关系。由图2可以看出，平均传热系数随着R134a 质量流量的增大而增大， 蒸发温度对平均传热系数有明显的影响。
图2 不同蒸发温度的平均传热系数
随R134a质量流量的变化
Fig.2 Average boiling heat transfer coefficients versus
mass flux of R134a
图3给出了蒸发温度为5℃、热流密度为5kW/
m2，在不同的R134a质量流量下，局部传热系数随
R134a干度的变化关系。由图3可以看出，局部传
热系数随R134a干度的增加而增加，R134a的质量
流量对局部传热系数的影响明显，特别是在高干度
区。这是由于随着工质流速的增加，不仅流体的表
面剪切力和流动的紊流程度增加，而且由于螺旋管
产生的离心力和二次流也增加，使沸腾换热过程得
到了一定的强化。
图3 不同流量的局部传热系数随R134a干度的变化
Fig.3 Local heat transfer coefficients versus vapor quality at
different mass flux of R134a
图4给出了蒸发温度为10℃、质量流量为
200kg/(m2.s)，在不同的热流密度下，局部传热系
数随R134a干度的变化关系。由图4可以看出，随
着热流密度的增加局部传热系数明显增加。但当
热流密度较小时(如q=5kW/m2)，局部传热系数随
R134a干度的增加单调增加，而当热流密度增加到
一定程度后(如q=10kW/m2)，随着干度的增加，局
部传热系数先增加，当干度达到0.71时，开始有所
降低。另外，热流密度越大，局部传热系数开始减
小时的干度则越小。Boissienx等[6]对直管内沸腾传
热研究中也得出了类似的结论。
图4 不同热流密度的局部传热系数随R134a干度的变化
Fig.4 Local heat transfer coefficients versus vapor quality at
different heat flux of R134a
图5 螺旋管和直管局部传热系数比较
Fig.5 Local heat transfer coefficients versus vapor quality
for helically-coiled and straight sections
图6 传热强化系数随干度的变化
Fig.6 Enhancement factor versus vapor quality
在相同的实验条件下也对R134a在直管内的流
动沸腾换热特性进行了实验研究。图5在蒸发温度
为10℃、热流密度为20kW/m2和质量流量为200kg/
(m2.s)的条件下，对R134a在水平直管和螺旋管沸
腾换热的局部传热系数随干度的变化关系进行了比
较。由图5可以看出，在同样的条件下直管的局部
换热系数比螺旋管的小，随着干度的增加，直管中
局部传热系数开始减小时的干度比螺旋管的小，而
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且降低的速度比螺旋管的快。
将螺旋管和直管的局部传热系数之比定义为传热的强化系数。图6给出了蒸发温度为10℃、热流密度为20kW/m2和质量流量为200kg/(m2.s)的条件下传热的强化系数随干度的变化关系。由图6可以看出，除高干度区(x>0.6)传热的强化系数稍有增加外，随着干度的增加，传热的强化系数是减小的。
在低干度区，层流为主要流型，此时水平直管中液体主要集中于管子底部成层流流动。而螺旋管中由于离心力和二次流的作用，液体比较均匀地分布于螺旋管的内周表面，管子中心的液体少，增大了内表面的湿周，因而使沸腾传热得到了强化。因此，低干度区传热的强化系数较大。随着干度的增加，流型逐渐过渡到环状流等复杂流型，离心力和二次流的作用相对减小，传热的强化系数逐渐减小。但在干度更高的情况下，局部传热系数增加到最大值后开始减小，表明在螺旋管和直管中都出现了局部烧干现象。但离心力和二次流的作用使螺旋管中局部烧干现象比直管中出现的晚，烧干后传热系数的下降比直管也小。
4 结论
在三个不同的蒸发温度(5℃、10℃和20℃)，工质流量范围为100~400kg/(m2.s)和干度范围为0.1~0.8，热流密度为5~20kW/m2的条件下，对R134a在水平直管和螺旋管内的沸腾换热特性进行了实验研究。实验结果表明，直管和螺旋管内沸腾换热的传热系数都随着热流密度和R134a的质量流量和干度的增加而增加，实验条件下，螺旋管的传热系数比直管的平均大13.7%。当热流密度增加到一定程度后，螺旋管和直管的传热系数在工质干度很高时均出现下降现象，说明此时出现了局部烧干，但螺旋管中烧干现象比直管出现的晚且烧干后传热系数下降得较慢。所得到的实验数据对螺旋换热器的设计开发和可靠运行都具有理论指导意义和工程应用价值。
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换热器特性与用途及优缺点评析 换热器 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。 英语翻译：heat exchanger 换热器是实现化工生产过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在热量交换中常有一些腐蚀性、氧化性很强的物料，因此，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。换热器的分类比较广泛：反应釜压力容器冷凝器反应锅螺旋板式换热器波纹管换热器列管换热器板式换热器螺旋板换热器管壳式换热器容积式换热器浮头式换热器管式换热器热管换热器汽水换热器换热机组石墨换热器空气换热器钛换热器换热设备，要求制造换热器的材料具有抗强腐蚀性能。它可以用石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料以及不锈钢、钛、钽、锆等金属材料制成。但是用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的有易碎、体积大、导热差等缺点，用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵，不锈钢则难耐许多腐蚀性介质，并产生晶间腐蚀。 换热器在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中，常常需要把低温流体加热或者把高温流体冷却，把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体。这些过程均和热量传递有着密切联系，因而均可以通过换热器来完成。 随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求： （1）合理地实现所规定的工艺条件； （2）结构安全可靠； （3）便于制造、安装、操作和维修； （4）经济上合理。 浮头式换热器的一端管板与壳体固定，而另一端的管板可在壳体内自由浮动，壳体和管束对膨胀是自由的，故当两张介质的温差较大时，管束和壳体之间不产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束能容易的插入或抽出壳体。（也可设计成不可拆的）。这样为检修、清洗提供了方便。但该换热器结构较复杂，而且浮动端小盖在操作时无法知道泄露情况。因此在安装时要特别注意其密封。 浮头换热器的浮头部分结构，按不同的要求可设计成各种形式，除必须考虑管束能在设备内自由移动外，还必须考虑到浮头部分的检修、安装和清洗的方便。 在设计时必须考虑浮头管板的外径Do。该外径应小于壳体内径Di，一般推荐浮头管板与壳体内壁的间隙b1=3~5mm。这样，当浮头出的钩圈拆除后，即可将管束从壳体内抽出。
五．具有对流换热条件的伸展体传热特性实验 一、实验目的 通过本实验和对实验数据的分析，加深对传热学教学内容的理解，掌握和了解伸展体传热的特性和求解具有对流换热条件的方法。 二、实验方法与设备 1. 设备的组装 将位于箱体风道中部的伸展体试验的封头取下，将图4所示的伸展体试件按铜管表面的刻线贴好热电偶（用单独的热电偶组）后插入风道，并使热电偶在背风处，如图16所示。将单独一组10对的热电偶接入热电偶组（一）接口，将伸展体试件的加热导线接入位于面板最右端的接线柱。 图16 伸展体试件安装于风道内 2. 实验原理 本实验所用试件为一圆紫铜管，其外径0d =19mm ，内径1d =17mm ，长度L=260mm ，具有对流换热的等截面伸展体(常物性)，如图17所示，取导热微分方程为： 图17 等截面伸展体对流换热示意图
0222=-θ?m dx d (1) 式中：m ——系数，c A hp m λ=， (m 1) θ——过余温度，f t t -=θ， (℃)； t ——伸展体温度， (℃)； f t ——伸展体周围介质温度， (℃)； h ——空气对壁面的表面传热系数，(c m W ο?2)； p ——横截面的周长，0d p π=，(m )； λ——空气的导热系数，（m.℃） c A ——伸展体横截面面积，4) (10d d A c -=π，(2 m )； 伸展体内的温度分布规律取决于边界条件和m 值得大小。本实验采用的试件两端为第一类边界条件，即： f w f w t t L x t t x -===-===2211,,0???? ； (2) 由此，试件内的温度分布规律为式(3)，伸展体在壁面1和壁面2的热流量分别用式(4)和式(5)计算。伸展体表面和流体之间的对流换热量用式(6)计算。 )()] ([)(12mL sh x L m sh mx sh -+=??? (3) ) (])([)(2101mL sh mL ch m A dx d A c x c θ?λθλφ-=== (4) ) ()]([)(212mL sh mL ch m A dx d A c L x c θ?λθλφ-=== (5) )(]1)()[(2121mL sh mL ch m A c --=-=θ?λφφφ (6) 根据0=dx d θ，可寻求过余温度最低值处的位置m in x })(/]/)([{12min m mL sh mL ch arcth x θθ-= (7) 3. 实验过程、数据的测量和整理
2018年第5期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.5 2018 总第634期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.364 收稿日期：2017-05-30；修回日期：2017-11-21；数字出版时间：2018-01-05；数字出版网址：https://www.doczj.com/doc/1f16982732.html, 基金项目：国家自然科学基金（91441123） 作者简介：杨新垒（1992-），男，硕士研究生，主要研究方向为组合发动机推进技术 文章编号：1004-7182(2018)05-0040-05 DOI ：10.7654/j.issn.1004-7182.20180509 紧凑型换热器换热特性研究 杨新垒，聂万胜，王 辉 （航天工程大学，北京，101416） 摘要：紧凑型预冷换热器是复合预冷发动机的关键部件，为研究紧凑型预冷换热器的换热特性，提出符合中国现有工业水平的紧凑型预冷换热器。采用数值仿真方法分析了冷流参数、换热管参数及管间距对预冷起换热效果的影响规律，分析了可提高换热效果的改进方向，在此基础上提出了一种新型紧凑型预冷换热器，并对换热效果进行了仿真分析。结果表明：新型预冷换热器单位体积换热面积为1309m 2，单位体积换热功率为355.5MW ，可将质量流量为120kg/s 的空气由1350K 降低至 486K 。 关键词：预冷换热器；换热效果；数值仿真；优化分析 中图分类号：TK124 文献标识码：A Study on Heat Transfer Characteristics of Compact Heat Exchanger Yang Xin-lei ，Nie Wan-sheng, Wang Hui (Space Engineering University ，Beijing, 101416) Abstract: The compact heat exchanger is the key component of the composite precooling engine, in order to study the heat transfer characteristics of compact heat exchangers and propose a compact precooling heat exchanger. Numerical simulation is used to study the influence of cold flow parameters, heat transfer tube parameters and tube spacing on heat transfer effect, the improvement direction of enhancing heat exchange effect is summarized, a new type of high efficiency and compact precooling heat exchanger is proposed. The results show that the new precooling heat exchanger has a unit volume heat transfer area of 1309m 2, and a unit volum heat transfer power of 355.5MW. The air with a mass flow rate of 120kg/s can be reduced from 1350K to about 486K. Key words: precooling exchanger; heat exchange effect; numerical simulation; optimization analysis 0 引 言 近年来，组合发动机的研制与应用越来越受到各国的重视。孙国庆等[1]对国外各种吸气/火箭组合发动机的研制情况及关键技术进行了综述，总结出对组合发动机发展途径的观点；彭小波等[2]通过对常见的 3种组合循环动力技术的特点和发展现状的分析，提出了发展建议；聂万胜等[3]对协同吸气式火箭发动机的发展现状进行了综述，认为其是各类组合发动机中具有较大发展潜力的一种组合发动机。协同吸气式火箭发动机是一种可对来流进行冷却的预冷吸气式发动机，通过对来流进行冷却，可获得理想的压气机进口温度，增大压气机增压比和空气密度，提高发动机推力，扩展飞行包线。高效紧凑预冷换热器是预冷吸气式发动机的关键部件[4]。 高效紧凑预冷换热器具有管径小、管壁薄、功率需求高的特点，因此提高换热效果对于减轻换热器结 构质量，提高发动机性能具有重要的意义。目前开展的研究主要集中在对换热机理的研究，如Xu 等[5]通过实验对微管道内的流动进行了研究；汪元等[6]对微小通道流体单相气态流动换热机理进行了总结。但对于宏观上如何增强微尺度换热器换热效果的研究开展较少。本文在保持热流条件不变的情况下，以换热器后空气平均温度为评价指标，研究了冷流参数、换热管参数及管间距对换热效果的影响规律，旨在寻求提高换热效果的改进方向。在此基础上优化了换热器参数，提出了一种新型布局的圆管换热器，建立了三维换热单元，对换热效果进行了仿真计算。
沸腾换热计算式 沸腾换热计算式 (1)大容器饱和核态沸腾 前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。 对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为 (3-4) 按q=h△t的关系,上式也可转换成 (3-5) 以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K) p:沸腾绝对压力,Pa; △t:壁面过热度,℃; q:热流密度,W/m2。 基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式: (3-6) 式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K); C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数; r:汽化潜热,J/kg; g:重力加速度,m/s2; Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l; μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s); ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3; γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m; s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。 由实验确定的C wl值见表3-1。
表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值 图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。 式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式: (3-7) 这里要着重指出两点： 1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。其中： 是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；为特征长度，它正比于旗 袍脱离加热面时的直径。不难证明，r/c pl△t就是St数，其中Nu数也以为特征长度。 2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数据的偏差程度最大。以图3-5所示情形为例，当已知△t计算q时，计算值与实验值的偏差可达±100％；而由于q～△t3，因而已知q计算△t时，则偏差可缩小到±33％左右。 对于制冷介质而言，以下的库珀(Cooper）公式目前得到教广泛的应用： （3-8） 式中，M r为液体的分子量；p r为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；R p为表面平均粗糙度，μm（对一般工业用管材表面，R p为0.3～0.4μm）；q为热流密度，W/m2；h的单位为W/（m2·K）。
沸腾传热强化技方法及比较 摘要针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 关键词沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；粉末多孔表面 Boiling heat transfer enhancement techniques and comparison Abstract:To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray method .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect. Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface 1 前言 在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 2沸腾强化传热技术 对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础, 已有的研究表明, 影响汽泡状沸腾传热的主要因素有： ( 1) 流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多, 汽泡脱离频 率增大, 因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小, 则汽泡脱离频率增高, 因而能增强沸腾传热。 ( 2) 换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明, 同一液体在抛光壁面上沸腾传热时, 其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低,这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热系数也有相当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组
板式换热器的特点 1 传热效率高 板片波纹的设计以高度的薄膜导热系数为目标，板片波纹所形成的特殊流道，使流体在极低的流速下即可发生强烈的扰动流（湍流），扰动流又有自净效应以防止污垢生成因而传热效率很高。 一般地说，板式换热器的传热系数K值在3000～6000W/m2.oC范围内。这就表明，板式换热器只需要管壳式换热器面积的1/2～1/4 即可达到同样的换热效果。 2 使用安全可靠 在板片之间的密封装置上设计了2道密封，同时又设有信号孔，一旦发生泄漏，可将其排出热换器外部，即防止了二种介质相混，又起到了安全报警的作用。 3 占地小，易维护 板式换热器的结构极为紧凑，在传热量相等的条件下，所占空间仅为管壳式换热器的1/2～1/3。并且不象管壳式那样需要预留出很大得空间用来拉出管束检修。而板式换热器只需要松开夹紧螺杆，即可在原空间范围内100%地接触倒换热板的表面，且拆装很方便。 4 随机应变 由于换热板容易拆卸，通过调节换热板的数目或者变更
流程就可以得到最合适的传热效果和容量。只要利用换热器中间架，换热板部件就可有多种独特的机能。这样就为用户提供了随时可变更处理量和改变传热系数K值或者增加新机能的可能。 5 有利于低温热源的利用 由于两种介质几乎是全逆流流动，以及高的传热效果，板式换热器两种介质的最小温差可达到1oC。用它来回收低温余热或利用低温热源都是最理想的设备。在相同传热系数的条件下，板式换热器通过合理的选择流速，阻力损失可控制在管壳式换热器的1/3范围内。 6 阻力损失少 因结构紧凑和体积小，换热器的外表面积也很小，因而热损失也很小，通常设备不再需要保温。 7 冷却水量小 板式换热器由于其流道的几何形状所致，以及二种液体都又很高的热效率，故可使冷却水用量大为降低。反过来又降低了管道，阀门和泵的安装费用。 8 在投资效率低 相同传热量的前提下，板式换热器与管壳式换热器相比较，由于换热面积，占地面积，流体阻力，冷却水用量等项目数值的减少，使得设备投资、基建投资、动力消耗等费用大大降低，特别是当需要采用昂贵的材料时，由于效率高和
微通道换热器流动和传热特性的研究 微通道换热器流动和传热特性的研究 杨海明朱魁章张继宇杨萍 (中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043) 摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。 关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型 1引言 通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。 所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。 2流动、传热特性的相关准则
苏尚美,张亚男,成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002) 摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性,通过换热器火用效率的分析,发现微通道具有高传热系数,高表面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择,微通道结构的优化及加工方法,分析了微通道换热器的应用前景. 关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构 引言2O 世纪5O 年代末,著名的物理学家Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品,是工艺过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油,化工,动力, 核能,冶金,船舶,交通,制冷,食品及制药等工业部门及国防工程中.其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提高换热器的紧凑度,以达到在单位体积上传递更多的热量,一直是换热器研究和发展应用的目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效,更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生. 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元.当前关于微通道换热器的确切定义,比较通行,直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm 换热器称为微通道换热器. 早在二十世纪八十年代, 美国学者Tuckerman 和Pease 报道了一种如图 1 所示的微通道(Micro-channel) 换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成,其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平,成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的"热障"问题. .随后Wu 和Little,Pfahler 等,Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微通道换热器于1985 年由Swift 研制出来,研究表明,其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十. 美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O 年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH) 也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件,将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器. 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内,使它不仅涉及空间尺度的微小化,还涉及更为复杂的尺度效应. 2.1 微尺度效应 对于气体单相流动,当通道直径当小于200 时,即努森数≥0.001 时(其中为分子的平均自由程, 为水力当量直径) ,流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响. 对于液体单相流动,当微通道直径为381 时,宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例,微通道换热器的最高达到了9.20,而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应(表面效应) . 对于两相流,微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著,导致流型分布及转换准则发生变化.由于表面张力的影响,流动中不存在非球形泡沫.表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段,随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减
沸腾传热 开放分类：物理、热量 沸腾传热 boiling heat transfer 热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。化工生产中常用的蒸发器、再沸器和蒸气锅炉，都是通过沸腾传热来产生蒸气的。 类型按液体所处的空间位置，沸腾可以分为：①池内沸腾。又称大容器内沸腾。液体处于受热面一侧的较大空间中，依靠汽泡的扰动和自然对流而流动。如夹套加热釜中液体的沸腾。②管内沸腾。液体以一定流速流经加热管时所发生的沸腾现象。这时所生成的汽泡不能自由上浮，而是与液体混在一起，形成管内汽液两相流。如蒸发器加热管内溶液的沸腾。 机理沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv 为： 式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气压ps；σ为汽液界面张力；R为汽泡半径。由于pv>ps，汽泡内蒸气的饱和温度Tv必然大于与ps对应的饱和温度Ts。汽泡周围的液体若要汽化进入汽泡，则它的温度Te必须大于或至少等于汽泡内蒸气的饱和温度，即Te≥Tv。从上式可知，当R=0时，pv将趋于无限大。因此在一个绝对光滑的平面上是不可能产生汽泡的，必须有汽化核心。加热表面上的划痕或空穴中含有的气体或蒸气，都可作为汽化核心。紧贴这些核心的液体汽化后，形成汽泡并逐渐长大，然后脱离表面，接着又有新的汽泡形成。在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动，所以对同一种液体来说，沸腾传热的传热分系数要比无相变时大得多。常压下水沸腾时的传热分系数一般为1700～51000W/(m2·K)。 沸腾曲线池内沸腾根据过热度（加热壁面温度TW与液体饱和温度Tm之差,ΔT=TW-Tm）的大小,分为泡核沸腾和膜状沸腾（见图）。当过热度很小时，传热取决于单相液体的自然对流。当过热度增大时，汽泡不断在壁面上产生，并在液体中上升和长大,这对液体对流起着显著作用,称为泡核沸腾。此阶段中传热分系数h，随ΔT增大而明显上升。当过热度超过某临界值时，汽泡大量产生，在壁面连结成汽膜，称为膜状沸腾。在此阶段初期，汽膜不稳定，随时破裂变成大汽泡，离开加热面。随过热度的增大，汽膜渐趋稳定。由于汽膜的热导率很低，使传热分系数下降。当过热度很大时，辐射传热起了重要作用，使传热分系数重新上升。由于泡核沸腾具有传热分系数大和壁温低的优点，故工业设备中的沸腾传热多在此状况下进行。 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热过程的因素很多，包括液体和蒸气的性质、加热面的表面物理性质和粗糙程度，尤其重要的是液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差。在泡核沸腾范围内，温度差越大，传热分系数也越大。加热壁面粗糙和能被液体润湿时，也能使传热分系数增大。据此，将细小金属颗粒沉积于金属板或管上，制成金属多孔表面，可使沸腾传热分系数提高十几倍至几十倍。
外掠管束的流动和换热特性的数值模拟 列管式换热器是一种比较传统且在工业化生产过程中应用十分普及的换热器,其流动本质为热流体外掠圆管进行流动、换热。本文对流体在换热管束中的流动和传热过程进行数值计算,考察不同管束排布方式、管束结构参数、操作条件等对其流动及传热特性的影响,并定量分析了管排的强化传热机理,在此基础上进一步对管束进行流固耦合分析。通过研究可以发现,管排中圆管的平均努赛尔数Nu与单圆管相比提高了 37%,传热强化较为明显。 通过改变管束结构参数,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管排传递特征的影响,并综合评价了其传热强化效果。结果显示,增大纵向节径比和横向节径比均能提高Nu数,但同时阻力系数也随之增大。综合传热能力对横向节径比更为敏感,当ST/D=2.5,SL/D=2.7时综合传热能力最优。 此外,考察了雷诺数对顺排管束涡脱落的影响,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔数St与雷诺数Re的关系,结果表明管排结构可以对涡脱落起一定的抑制作用,减小涡脱落频率。在相同工况下,对流体在叉排管束中的流动及传热过程进行数值模拟。对比叉排管束和顺排管束的流场分布和Nu数分布,可以发现叉排管束的换热强化能力优于顺排管束。 运用场协同理论分析管束结构对传热强化的机理,发现叉排管束中速度矢量与温度梯度的协同程度较好,强化传热能力更强。对换热管束进行单向流固耦合研究,分析了雷诺数、纵向节径比和不同管排结构下换热管束的应力应变分布规律。结果表明,雷诺数对顺排管束应力分布影响不大,但其应力强度对其排布方式较为敏感。 增大SL/D,顺排管束应力最大值先增大后减小。与顺排管束相比,叉排管束
中国工程热物理学会传热传质学 学术会议论文编号：093349 CO2管内流动沸腾换热关联式研究 钱善良吴晓敏姜培学王维城 （清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084） (Tel: 010-6277-3413，Email: wuxiaomin@https://www.doczj.com/doc/1f16982732.html,) 摘要：本文收集近年来8篇CO2管内流动沸腾换热研究文献中的862个实验数据，工况范围包括：管径0.8-10mm，热流密度5-40kW/m2，饱和温度-30-20℃，质量流速80-600kg/(m2s)。筛选三个常用的传统制冷剂沸腾换热预测关联式，Gungor&Winterton、Shah、Wattelet，以及基于CO2沸腾换热试验数据的Zhao关联式，对上述862个实验数据进行预测。结果显示：关联式在预测CO2低温流动沸腾换热实验时较为准确，其原因可能是低温状态下CO2对比压力较低，物性与传统制冷剂相似；关联式在预测有蒸干发生的换热系数时偏差较大；Shah关联式预测值在乘以1.7后可以较大改善预测精度。 关键词：CO2流动沸腾换热关联式预测 引言 传统的氟利昂制冷剂由于具有较大的ODP（臭氧层破坏指数）或/和GWP（温室效应指数），开始逐渐退出历史舞台。为了避免人工合成物质的使用造成严重的不可预见破坏（例如氟利昂造成的南极臭氧层空洞），CO2等自然工质重新获得人们的重视[1]。 CO2流动沸腾换热系数是CO2蒸发器设计的重要参数，而由于CO2有较高的对比压力，其物理性质明显异于传统制冷剂，这导致CO2流动沸腾换热规律难以预测。本文收集来自不同研究机构的8份公开文献中的CO2管内流动沸腾换热研究数据，并与4种常用的沸腾换热预测关联式加以对比分析，为CO2换热计算提供参考。 流动沸腾换热实验数据 1 CO 2 本文选择了过去十年中部分研究者在公开文献中的数据，包括Kundsen[2]、Rin Yun[3]、Pettersen[4]、Yoon[5]、Cho[6]、Choi[7]、Park[8]、Oh[9]，共有862个数据点，这些数据点的实验条件为：水平流动，管径0.8-10mm，热流密度5-40kW/m2，饱和温度-30-20℃，质量流速80-600kg/(m2s)。 在CO2低温换热方面，Knudsen等[2]研究了CO2在内径10.06mm管内流动沸腾换热特性，饱和温度为-10--30℃，加热方式为用R22在管外凝结放热来加热管内流动的CO2。其研究发现：与实验值相比，Shah的关联式预测值偏低，但是实验值与预测值之间的比例几乎为常数1.9，在乘以1.9之后关联式的预测值的平方根误差为14%。Park等[5]研究了-15℃和-30℃饱和温度下CO2流动沸腾换热特性，管径6.1mm。其实验结果与Gungor&Winterton[10]的关联式预测值相符较好，平均误差和绝对值误差分别为1.74%和14.4%。他们利用Gungor&Winterton关联式很好的解释了其实验条件下CO2流动沸腾的换热特性。 基金项目：教育部科学技术重大项目(No.306001)；国家863计划(No.2006AA05Z416)
沸腾换热进展 当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。 液体在加热面上沸腾时的换热过程，是具有相变点的两相流换热。当加热壁 面温度T W 超过液体的饱和温度 T S 并达到一定数值时，液体即在加热面的某些点 上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。汽泡在成长大过程中吸收大量汽化潜热，汽泡的脱离和上升动又产生剧烈扰动，所以沸腾换热比单相流体的对流换热强烈得多。一．沸腾换热 1.沸腾换热分类 沸腾有多种形式。如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾；若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾（或池沸腾）；如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，则称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。 （1）大空间沸腾与有限空间沸腾 高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大空间沸腾，又称池沸腾；沸腾过程受到沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸汽和液体混合在一起，构成汽液两相混合物（两相流），称为有限空间沸腾，又称受迫对流沸腾或管内沸腾。 图1 加热表面 （2）过冷沸腾与饱和沸腾 流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象，称为过冷沸腾；而液体温度始终保持大于液体的饱和温度，则称为饱和沸腾。 2. 沸腾换热机理 （1）气泡的成长过程 实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。