恒定热流下椭圆管的传热系数外文翻译资料

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恒定热流下椭圆管的传热系数

作者：Stanislaw Lopata; Pawel Oclon; Tomasz Stelmach; Pawel Markowski

摘 要

椭圆管错流换热器是工业应用中常用的换热器形式，与圆管相比，椭圆管具有更好的空气动力学形状，工质流过管内空间时的压降较小。此外，由于较强的换热过程，从气体到管壁的热流率较高。为了证明这一论点，利用实测数据，确定了椭圆管管壁到管内流动水体的传热系数。本研究还提出了一个垂直定位管的研究立场。为了获得恒定的穿过椭圆管壁面的热流，采用电阻丝，在管材测量段外表面均匀缠绕。热绝缘的使用最大限度地减少了对环境的热损失，使其达到可忽略不计的程度。安装了 k 型热电偶，可以在不同的测量条件下获得椭圆管壁内的温度分布(对于给定的截面)和水在管壁内流动情况 (对于椭圆的两个轴，在给定的截面，在不同的深度)。测量台的设计允许沿测量部分长度的多个位置进行这种测量。测量结果用于验证数值计算。根据使用 SST-TR 湍流模型进行的 CFD 计算确定的传热系数值与根据测量数据确定的湍流模型的相对误差约为11% 。

关键词: 热交换器，椭圆管，研究台，热流量，传热系数，数值计算，SST-TR湍流模型

引 言

现代动力设备不仅要减小尺寸，还要优化工作条件。后者的目的是保持最有利的传热，强化质量、能量和动量输运过程。在这方面，换热器也不例外。在这些装置，特别是错流管中经常使用椭圆管。与圆管相比，它们具有更好的空气动力学设计形状，使工作介质在管内空间的流动更加有利。它们不仅具有较低的压降，而且速度分布更为有利，即滞流区减少了[1-5]。例如从气体到这样的管壁，因为更强烈的热交换过程，其中一个重要的影响是更高的传热速率。除其他因素外，这一事实与使用圆管的设备相比，减小了设备的尺寸。

这种热交换器的缺点是流体不均匀地分布在单个管上 [6-9]。造成这一现象的原因很可能是目前的形状和相对较小的进气道和出口室的尺寸。上述事实导致这种热交换器的管道中流体流动的速度可能相差很大，但在某些情况下，它甚至可能与预期[8,10]相反。这通常会导致不利的操作条件，包括管壁过热引起的高热压应力[6,8,11-17]。

对所讨论换热器的工况分析表明，椭圆管内的液体流动可能发生在层流、过渡流和湍流等各种状态。这可以从这些器件中缺陷的位置和其运行的热流条件的数值模拟结果[8,10,11,14-16]中得到证实。特别是过渡流是一个非常复杂的现象，难以进行数学建模。相对而言，人们对此知之甚少，而且可能存在的相关性使得能够确定的传热系数，从管腔内的流体流动到换热管的管壁，只是其中的几个[18]。并不总是一个特定的湍流模型，例如 k-，k-，SST 或 SST-TR，允许确定传热系数的正确值(对于水平排列的管子)[19]。它们在各种分析中的数值计算中的应用需要评估和确认其可用性(就所讨论的设备而言，例如用于确定流体参数，如流速或温度分布)。因此，建立的数学模型需要实验验证，特别是对上述流型。本文给出了所建立的试验台，并利用测量数据对数值计算结果进行了评价，特别是在过渡流区。

确定试验台

椭圆形管内的传热系数

为了研究垂直椭圆管内的传热过程，设计了专用机架。经决定，它将在一个封闭的系统中工作，并将能够测量椭圆两个轴的流体横截面的温度。这种测量是在沿测量距离的几个区域内进行的。此外，还测量了外表面和内壁附近椭圆管壁的温度，测量了圆周周围的几个点以及沿管长的几个区域内的温度。这种测量的重要目标之一是获得温度分布的可能性，这样就可以确定从椭圆管壁到其内流动水的传热系数值。

前面提到的支架方案如图1所示，而它与测量部分的一般视图和近似值如图2所示。支架的基本部分是一个椭圆管，其余部分包括: 水箱、给水泵、散热器、配件和开关配件、电加热供应和测量设备。

图1.椭圆管内表面传热系数测定台方案: 1供水箱，2截止阀，3供水泵，4止回阀，5椭圆管流量限制阀，6流量计，7测量段截止阀，8连接元件(耦合器) ，9法兰连接椭圆管，10连接配件(从圆管到椭圆管的过渡) ，11加热元件(电阻丝) ，12钳电连接件，13测量段后面的截止阀，14风冷换热器

图2.测定椭圆管内表面传热系数的机架概况和测量截面图

试验台由以下部分组成: 尺寸为36 times; 14 times; 2mm 的椭圆管，允许从椭圆过渡到圆形的过渡配件，循环水箱，横流式换热器(用于空气冷却) ，循环泵(以可变速度)，还有电子流量计。可以补充的是，上述换热器在系统中的使用使循环水得到冷却，并使循环水在被测管入口处的温度保持在一个恒定值。同时，这样的解决方案，即建立一个闭路系统，从而节省工作介质(水)。在该系统中，就像试验架的情况一样，采用了供应管道与储罐的连接。这使得降低介质的质量流量成为可能，特别是在层流测量过程中。

测量部分的加热系统由两根电阻线组成，绕在一条椭圆管上，互为一条，并联连接。自耦变压器用于供电。采用外径0.5mm 的 k 型热电偶测量椭圆管内流动的水的温度和管壁的温度。图3和图4显示了沿测量部分长度安装热电偶的区域。可以看到，热电偶覆盖了测量段的进口、中间和出口点，长1200mm。还应该补充的是，管本身具有长度分别为: 500毫米和300毫米的进口段和出口段。在这些断面和测量断面之间使用了法兰连接(法兰连接松散)。这里的隔离装置是由绝缘材料制成的，用来限制纵向传热。

图3测量流经椭圆形管道的介质温度所用热电偶的位置区(T1-T3)

图4. 测量椭圆管壁温的热电偶位置区(S1-S3)

热电偶的位置允许控制一个给定区域的横截面上的水温，在椭圆的两个半轴上都有几个地方且有大有小。对于其中之一，图5中示出了由放置在毛细管中的4个热电偶组成的测量单元的视图 (这些热电偶被粘在椭圆管壁上的孔中，在其测量部分的给定区域)。另一方面，热电偶焊缝与椭圆管内壁之间的距离用表格1给出。

图4所示的用于测量椭圆管壁各区域温度的热电偶已分别安装在其外表面和距离内表面约0.3mm处的预制槽内(长约20mm深约0.25mm)和管壁上的径向钻孔中。在每个区域中，沿椭圆圆周的四分之一安装了3或4个热电偶，其中两个位于椭圆轴的方向。采用胶粘剂和高温硅酮进行组装。在试验台系统中，计算机数据采集系统中包含了循环介质温度和流量测量的所有传感器。为了保证plusmn;0.1℃的测量精度，对热电偶进行了标定。

图5.热电偶单元(用于水温测量)安装在椭圆管(用于下半轴)

表1. 测量椭圆管内流动水温的热电偶的位置 1

实验结果

本节介绍了过渡流的实验结果。对于椭圆管来说，它相当于 V = 0.15 msup3;/h 和雷诺数 Re = 2908的体积流率。对供水系统中水的温度为20℃左右的条件进行了测量。与所建立的状态对应的值被认为是可靠的。图6和图7分别给出了在给定条件下所得到的结果，它们分别显示了椭圆管流体和管壁的温度值。

图6.在过渡流区V=0.15msup3;/h的流动测量点的介质温度(在对截止轴的描述中，指定T1-T3区和从椭圆管内表面到热热电偶焊缝的距离以[mm]为单位，在小半轴加上Mi，对大半轴加Ma)

图7.在过渡流区V=0.15 msup3;/h范围内各测量地点椭圆管壁的温度(在对截止轴的描述中，S1-S3区的指定和热电偶在给定区域中的位置：沿外表面的圆周O1-O4，距离内表面I1-I3约0.3mm，在这两种情况下它都涉及省略圆周的四分之一)

此外，为了估计对环境的热损失，还应每次测量绝缘的外表面温度和环境温度。表2中列出了平均测量数据和产生的热流密度Q及其对环境的损失的计算值。

表2. 椭圆管内水流的测量数据和计算结果(过渡区，Re = 2908)

基于表2数据的对环境的热损失，q_loss损失仅占产生热通量q的1.3%左右，证明了该机架各部件隔热性能良好，从而使椭圆管内流动的流体吸收了热量。

利用该关系确定了从椭圆管内表面到内部流动水的传热系数的平均值：

h ==

所得结果也用于验证所进行的数值模拟。利用ANSYS的CFX软件[20]进行了CFD计算。采用带过渡湍流的剪切应力输运流动模型(SST-TR)，较好地反映了瞬态范围内的流动和热现象。这个更复杂的瞬态湍流模型(即所谓的Gamma-Theta模型)[21]是两个湍流方程模型的有趣替代。与经典SST模型相比，在模型中引入了新的间歇性输运方程。它决定了湍流进入层流的方式。图8(a)和图8(b)分别给出了分析模型的计算网格图和水流经椭圆管时截面内的温度分布图。对数值网格(有550000个节点和720000个单元数值)进行了细化: 使连续两次压缩时传热系数的计算结果相差不超过1%。在考虑测量数据的基础上，确定了流量、热流和入口温度的取值。在管道入口处，采用具有一定速度和温度的进口边界条件。在管外表面根据自耦变压器的电流和电压示数，施加热流边界条件。计算的热流值为:Q=IU[19]，当Q [W]为热流，I [A]为电阻丝中的电流，U [V]为电阻丝上的电压，除以管的内表面积。由于管子绝缘，对环境的热损失被认为是可以忽略不计的。给出了流动区域出口面相对压力为0 Pa的出口边界条件。

图8.分析模型(a)的计算网格和加热椭圆管截面(b)的温度分布

计算中使用的测量数据和得到的结果，包括相关性(1)和CFD模拟的使用，都列在表格3中(图6及图7所示)。(Ansys)

表3.对椭圆管过渡区流动条件的热测量结果，Re = 2908(测量数据和 CFD 计算结果)

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