葛銘，趙利杰，戴維葆，蔡培，舒少辛，楊海瑞，呂俊復(fù)

（1國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031；2北京兆陽光熱技術(shù)有限公司，北京 101102；3江蘇海德節(jié)能科技有限公司，江蘇 無錫 214215；4清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

叉排三維外肋管的傳熱特性

葛銘1，趙利杰2，戴維葆1，蔡培1，舒少辛3，楊海瑞4，呂俊復(fù)4

（1國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031；2北京兆陽光熱技術(shù)有限公司，北京 101102；3江蘇海德節(jié)能科技有限公司，江蘇 無錫 214215；4清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

以純凈水為換熱工質(zhì)，空氣為換熱氣體，搭建了換熱實驗臺。對光管和叉排三維外肋管進行了傳熱實驗研究。詳細介紹了傳熱實驗臺的搭建以及實驗步驟，并為求解傳熱系數(shù)進行了理論模型的推導(dǎo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于叉排三維外肋管的特殊結(jié)構(gòu)，相同條件下其傳熱系數(shù)是光管傳熱系數(shù)的3.1倍左右。對光管和外肋管的傳熱系數(shù)進行線性擬合，得到了各自的換熱關(guān)聯(lián)式，為叉排三維外肋管的工業(yè)應(yīng)用提供了參考。最后對實驗數(shù)據(jù)進行了誤差分析，實驗數(shù)據(jù)可信。

叉排三維外肋管；強化傳熱；傳熱系數(shù)；實驗研究

Abstract:Heat transfer test rig had been built with pure water as heat transfer medium and air as heat transfer gas.Heat transfer experimental investigation on circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube had been carried out.The building of test rig and experimental procedure had been introduced in details accompany with the theoretical model being derived for solving heat transfer coefficients.It was found that due to the special structure of staggered three-dimensional externally finned tube,its overall heat transfer coefficient is 3.1 times bigger than that of circular tube.By a linear regressive method,the experimental data were processed.The criterion relations of heat transfer were obtained and compared with circular tube.The results could provide reference for the industrial application.Finally,the deviation of the experimental data is analyzed and the result is believable.

Key words:staggered three-dimensional externally finned tube; enhanced heat transfer; overall heat transfer;experimental research

引 言

換熱器在電站鍋爐、石油、化工、制冷等工業(yè)部門中是不可缺少的設(shè)備。對于常見的換熱器管束形式，如光管、H型鰭片管、螺旋管，學(xué)者們都進行了深入的研究[1-3]。三維外肋管作為一種離散肋片管，其換熱性能比普通的連續(xù)肋片管大大增強。同時由于肋片的形式多樣，布置形式復(fù)雜，學(xué)者們還不能建立起完善的理論或數(shù)值解方法。工業(yè)上針肋管束的傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)還依賴于實際實驗。夏國棟等[4-8]對水滴型、方形、長菱形、圓形等幾種不同類型的微針肋管進行了換熱特性數(shù)值模擬和實驗研究，并對不同類型管束的換熱性能進行了比較。金晶等[9]對一種針形肋管進行了縱向沖刷的傳熱特性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針形肋管的平均傳熱系數(shù)比光管的高75%左右。何春霞等[10]對新開發(fā)的兩種三維外肋管的自然對流特性進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1種外肋管的傳熱系數(shù)是光管的1.3～1.6倍，第2種外肋管達到了1.5～2倍。吳偉棟等[11-12]對一種新型的叉排三維外肋管的換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針肋管的傳熱系數(shù)比光管增大了1.5～2.5倍。廖強等[13-14]對水平三維肋管進行了凝結(jié)換熱的實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三維肋管的凝結(jié)傳熱系數(shù)能達到光管的1.7～2.9倍；不凝結(jié)氣體越多，換熱效果越好。Aliaga等[15]對橫向矩形肋進行了換熱實驗研究，發(fā)現(xiàn)了肋間距與肋高比對于傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。Chyu等[16]采用萘升華方法得到了立方體、柱體、椎體、半球體、菱形等5種三維肋的局部傳熱系數(shù)圖譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿肋高方向，局部傳熱系數(shù)變大。Jubran等[17]對圓柱形三維肋的肋片間距影響進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最佳的肋間距是肋直徑的2.5倍。胡振軍等[18]對三維離散傾斜肋的傳熱特性進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于二次流和渦旋流的作用，離散傾斜肋管的傳熱系數(shù)能達到光滑通道的3～4倍。綜上所述，學(xué)者們對各種類型的針肋管進行了實驗研究，得到了傳熱關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)針肋管相對于光管，傳熱系數(shù)普遍增加。但對于叉排方形針肋管實驗研究較少，還有待進一步加強研究。

本文在自行搭建的流動換熱實驗臺上，對一種新開發(fā)的叉排三維外肋管進行了傳熱特性實驗研究。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到了傳熱關(guān)聯(lián)式，為這種針肋管的工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗對象

圖1 三維外肋管的剖面圖Fig.1 Profile of staggered three-dimensional externally finned tube

圖2 針肋和光管的結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structure dimension drawing of circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube

換熱管是本實驗研究的重要元件，包括光管和叉排三維外肋管。叉排三維外肋管是指肋片的布置呈現(xiàn)交叉布置，其是在光管的基礎(chǔ)上通過機床刻切加工出來，為整體式肋片。肋片與基管的接觸熱阻可以忽略。第二排的針肋是在第一排針肋的間隔處刻切出來，以此類推。由于是在前一排肋片的空縫中刻切，后一排肋片與前一排肋片的間距可以小于肋片高度，因此增加了肋片的數(shù)量。這種工藝可以在有限的光管表面上盡可能多地刻切出針肋，同時制造的肋片呈不規(guī)則分布，對氣流的擾動相對于規(guī)則布置的肋片加強。具體可見圖1。針肋的高度為3 mm，寬度為2 mm，厚度為0.5 mm。由于針肋的厚度很小，叉排三維針肋管的基管僅比光管減薄0.5 mm，為方便肋片管和光管的比較，肋片基管壁厚的減薄不予考慮。兩者的材料都為 ND鋼。三維外肋管和光管的結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，具體參數(shù)見表1。

表1 針肋和光管的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameter of circle tube and staggered three-dimensional externally finned tube

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)見圖3。實驗系統(tǒng)由兩個分系統(tǒng)組成，包括氣體系統(tǒng)和水系統(tǒng)。在氣體系統(tǒng)中，考慮到實驗的可行性，采用空氣作為換熱氣體。氣體由羅茨風(fēng)機提供，最大風(fēng)量可達到1200 m3·h?1。渦街流量計實時測量風(fēng)量大小，其精度達到0.01 m3·h?1。實驗段為長度2000 mm，截面570 mm×100 mm的有機玻璃長方體。其上開有卡槽用于放置三維外肋管。管路出口距離三維外肋管10個當(dāng)量直徑的長度，實驗段出口距離三維外肋管5個當(dāng)量直徑的長度，這樣確保氣體不均勻性的影響可以忽略。兩根PT100型號的熱電偶分別布置在三維外肋管上下游距離三維外肋管1個當(dāng)量直徑的地方，用于測量氣體的前后溫度變化，其精度可以達到0.1℃。在水回路中，熱水的循環(huán)由水泵提供動力，流量由電磁流量計測得，其精度達到0.001 m3·h?1。4根1.5 kW的加熱棒用于加熱水箱中的水。前后的水溫變化由三維外肋管進出口布置的 K型熱電偶測得，其精度達到0.01℃。為了減少測量誤差，氣體和水的定性溫度選取實驗溫度的平均值，此時ND鋼的熱導(dǎo)率為43 W·(m·K)?1[19]。為了減少多回路時彎頭處的散熱損失，實驗采用單根管布置形式。實驗系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)在文獻[20]中驗證。

圖3 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system 1—blower; 2—vortex flowmeter; 3—data acquisition; 4—water pump;5—electromagnetic flowmeter; 6—double H-type finned tube;7—measuring point; 8—air distribution plate

1.3 實驗方法

由于水的比熱容大，其溫度穩(wěn)定，本實驗采用熱水與冷空氣換熱的方案[21]。由于管束都是首次使用，污垢熱阻不予考慮。實驗中的水溫、風(fēng)溫都較低，輻射傳熱不予考慮。實驗中，熱水溫度在46～48℃。管排進出口水溫變化幅度在 0.2～0.3℃。光管實驗中，風(fēng)溫變化區(qū)間在 5～15℃；三維外肋管實驗時，風(fēng)溫變化在 8～15℃?？刂扑牧髁勘３衷? m3·min?1左右不變，調(diào)節(jié)風(fēng)機改變空氣流量。風(fēng)量從400 m3逐步上升到1000 m3左右，每次上升100 m3左右。有機玻璃的熱導(dǎo)率較小，為 0.19 W·(m·K)?1。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 傳熱系數(shù)的確定

本實驗中熱量傳遞過程包括：光管或三維外肋管內(nèi)的強制對流換熱；管壁的導(dǎo)熱；管外的對流換熱。根據(jù)能量守恒原理，這3部分的熱量相等[22]。根據(jù)等量關(guān)系可以確定實驗系統(tǒng)的散熱損失。管內(nèi)的對流換熱量用水的放熱量來描述

管外的對流換熱量用空氣的吸熱量來描述

根據(jù)式（1）與式（2）的熱量差值可以得到實驗系統(tǒng)的散熱損失，約為 10%。則根據(jù)式（3）即可求得光管和叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。由于氣體的比熱容小，溫度變化明顯，測量誤差小，故選取氣體的吸熱量來計算。

由于叉排三維針肋管的針肋太多，計算其換熱面積煩瑣，因此仍以光管的換熱面積來計算叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。得到的叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)是以光管為基準(zhǔn)的。換熱面積的計算式為

2.2 傳熱系數(shù)實驗值

根據(jù)式（3）可以得到光管和叉排三維針肋管的傳熱系數(shù)。實驗結(jié)果見圖4。

圖4 傳熱系數(shù)實驗值Fig.4 Experimental data of heat transfer coefficient

由圖可知，外肋管和光管的傳熱系數(shù)都隨著空氣流速的增加而提高。比較兩者在不同氣體流速下的傳熱系數(shù)，可以知道以光管傳熱面積為基準(zhǔn)的外肋管傳熱系數(shù)約是光管傳熱系數(shù)的3.1倍。這與文獻[12]的研究較為接近。其中，外肋管傳熱系數(shù)隨流速提高而急劇增大，光管的變化則相對平緩。外肋管的換熱能力遠大于光管。原因在于當(dāng)氣體流過叉排外肋管時，產(chǎn)生了流動脫離區(qū)，形成了大小不一的渦流。同時由于叉排的特殊結(jié)構(gòu)，在垂直于主流動方向，又會產(chǎn)生橫向的二次流動，導(dǎo)致近壁的氣流湍流度急劇增大[23]。

基于實驗數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸方法對叉排三維外肋管和光管進行傳熱關(guān)聯(lián)式擬合，可以得到高流速下的傳熱系數(shù)，便于工業(yè)上的選取。光管的傳熱關(guān)聯(lián)式為

叉排三維外肋管的傳熱關(guān)聯(lián)式為

為了驗證擬合關(guān)聯(lián)式的可靠性，對其進行誤差分析。圖5、圖6分別為叉排三維針肋管和光管傳熱關(guān)聯(lián)式的誤差分析。由圖可知，實驗點都分布在擬合關(guān)聯(lián)式±8%的誤差線內(nèi)。實驗數(shù)據(jù)可靠。

圖5 叉排三維外肋管傳熱關(guān)聯(lián)式誤差分析Fig.5 Error analysis of heat transfer correlation for staggeredthree-dimensional externally finned tube

圖6 光管傳熱關(guān)聯(lián)式誤差分析Fig.6 Error analysis of heat transfer correlation for circle tube

3 結(jié) 論

搭建了換熱實驗臺，研究了光管和叉排三維外肋管的換熱特性，得到的主要結(jié)論如下。

（1）通過實驗研究，得到了特殊結(jié)構(gòu)的叉排三維外肋管和光管的傳熱系數(shù)值。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到叉排三維外肋管和光管的傳熱關(guān)聯(lián)式，為叉排三維外肋管的工程應(yīng)用提供了參考。

（2）基于光管傳熱面積，叉排三維外肋管的傳熱系數(shù)值約是同等規(guī)格光管傳熱系數(shù)的3.1倍，略大于前人的研究結(jié)果，說明本實驗采用的叉排三維外肋管傳熱系數(shù)比現(xiàn)有的針肋管要高。該叉排三維外肋管值得推廣。

符 號 說 明

A——實驗管束的換熱面積，m2

cw,cg——分別為水和氣體的比定壓熱容，J·(kg·℃)?1

Pr——空氣的Prandtl數(shù)

Qw,Qg——分別為水和氣體的流量，m3·s?1

tg1,tg2——分別為管束下游和上游測量的空氣溫度，℃

tw1,tw2——分別為管束的進出口水溫，℃

v——空氣流速，m·s?1

ηloss——實驗系統(tǒng)的散熱損失

λ——空氣的熱導(dǎo)率，W·(m·K)?1

ρw,ρg——分別為水和氣體的密度，kg·m?3

υ——空氣的運動黏度，m2·s?1

Φw,Φg——分別為水和氣體的放熱量，W

[1]趙斌,趙利杰,王慶功,等.H 型鰭片管結(jié)構(gòu)參數(shù)選取辦法[J].化工學(xué)報,2015,66(12): 4751-4757.ZHAO B,ZHAO L J,WANG Q G.et al.Selection of structure parameters for H-finned tube[J].CIESC Journal,2015,66(12):4751-4757.

[2]趙利杰.H型鰭片管傳熱與流動特性研究[D].唐山: 華北理工大學(xué),2016: 1-70.ZHAO L J.Study on heat transfer and flow characteristics of H-type finned tube[D].Tangshan: North China University of Science and Technology,2016: 1-70.

[3]趙斌,趙利杰,高明非,等.不同布置H型鰭片管束流動傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式[J].煤炭學(xué)報,2017,42(3): 782-788.ZHAO B,ZHAO L J,GAO M F,et al.Correlations of heat transfer and flow characteristics of H-type finned tube bank with different arrangements[J].Journal of China Coal Society,2017,42(3):782-788.

[4]夏國棟,崔珍珍,翟玉玲,等.長菱形微針肋熱沉的流動與換熱特性[J].中國石油大學(xué)學(xué)報,2014,38(2): 130-134.XIA G D,CUI Z Z,ZHAI Y L,et al.Flow and heat transfer characteristics for long-diamond shaped micro pin fin[J].Journal of China University of Petroleum,2014,38(2): 130-134.

[5]夏國棟,李宴君,孔凡金.流體橫掠方形微針肋陣列熱沉的傳熱特性[J].工程熱物理學(xué)報,2008,29(4): 628-630.XIA G D,LI Y J,KONG F J.Heat transfer characteristics of a diamond-shaped pin fin micro heat sink[J].Journal of Engineering Thermophysics,2008,29(4): 628-630.

[6]周明正,夏國棟,周利軍,等.水滴型微針肋流動與傳熱特性數(shù)值研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2011,10(1): 25-31.ZHOU M Z,XIA G D,ZHOU L J,et al.Numerical study if flow and heat transfer for droplet type fin-fin heat sink[J].Journal of Thermal Science and Technology,2011,10(1): 25-31.

[7]夏國棟,羅光亮,李宴君,等.流體橫掠圓形微針肋熱沉流動與傳熱特性[J].工程熱物理學(xué)報,2009,30(4): 621-624.XIA G D,LUO G L,LI Y J,et al.Flow and heat transfer characteristics across circular-shaped micro pin fin heat sinks[J].Journal of Engineering Thermophysics,2009,30(4): 621-624.

[8]周明正,夏國棟,柴磊,等.流體橫掠水滴形微針肋熱沉流動和傳熱特性[J].航空動力學(xué)報,2012,27(12): 2681-2686.ZHOU M Z,XIA G D,CHAI L,et al.Flow and heat transfer characteristics of drop-shaped micro pin-fin heat sinks with cross flow[J].Journal of Aerospace Power,2012,27(12): 2681-2686.

[9]金晶,馮明志.針形肋管束的傳熱特性和阻力特性的實驗研究[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,30(1): 47-51.JIN J,FENG M Z.Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of pin-shaped-fin tube bank[J].Journal of Shangdong University of Technology,2000,30(1): 47-51.

[10]何春霞,王厚華,廖光亞,等.三維外肋管的自然對流換熱特性的實驗研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2003,25(3): 59-62.HE C X,WANG H H,LIAO G Y,et al.Experiment research on heat transfer of external three-dimensional finned tube in free convection[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2003,25(3):59-62.

[11]吳偉棟,王厚華,廖光亞,等.空氣橫掠叉排三維外肋管束換熱及流阻特性的實驗研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2002,24(3):53-57.WU W D,WANG H H,LIAO G Y,et al.Heat transfer and firction characteristics for cross-flow over staggered external three-dimensional finned tube banks[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2002,24(3): 53-57.

[12]吳偉棟.空氣橫掠叉排三維外肋管束換熱及流阻特性的實驗研究[D].重慶: 重慶大學(xué),2002.WU W D.Heat transfer and firction characteristics for cross-flow over staggered external three-dimensional finned tube banks[D].Chongqing: Chongqing University,2002.

[13]廖強,朱恂,辛明道.水平三維肋管管外凝結(jié)換熱實驗與分析[J].工程熱物理學(xué)報,2004,25(1): 103-105.LIAO Q,ZHU X,XIN M D.Measurements and modeling for condensation heat transfer on horizontal three-dimensional finned[J].Journal of Engineering Thermophysics,2004,25(1): 103-105.

[14]朱恂,李剛,廖強,等.水平三維肋管外含不凝性氣體的水蒸氣凝結(jié)換熱的實驗研究[J].動力工程,2006,26(5): 694-698.ZHU X,LI G,LIAO Q,et al.Experimental investigation of condensation heat transfer of non-condensable gas containing steam on 3-dimensionally finned tibes,horizontally positioned[J].Journal of Power Engineering,2006,26(5): 694-698.

[15]ALIAGA D A,LAMBD J P,KLEIN D E.Convection heat transfer distribution over plates with square ribes from infrared thermography measurements [J].International Journal of Heat Mass Transfer,1994,37(3): 363-374.

[16]CHYU M K,NATARAJAN V.Heat transfer on the surface of three-dimensional protruding elements[J].International Journal of Heat Mass Transfer,1996,39(14): 2925-2935.

[17]JUBRAN B A,HAMDAM M A,ABDUALH R M.Ehanced heat transfer missing pin and optimization for cylindrical pin fin arrays[J].Journal of Heat Transfer,1993,115(3): 576-583.

[18]胡振軍,神家銳.離散傾斜肋的傳熱強化及流動特性[J].工程熱物理學(xué)報,1995,16(3): 327-332.HU Z J,SHEN J R.Heat transfer enhancement and flow characteristics of a surface with discrete ribs[J].Journal of Engineering Thermophysics,1995,16(3): 327-332.

[19]于勇,田志凌.中國工程材料大典: 第三卷 鋼鐵材料工程(下)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2006: 507-543.YU Y,TIAN Z L.China Material Engineering Dictionary: Volume ⅢSteel Material(Two)[M].Beijing: Chemical Industry Press,2006:507-543.

[20]葛銘,趙利杰,舒少辛,等.接觸熱阻對雙H型鰭片管傳熱系數(shù)的影響[J].中國電力,2017,50(2): 57-63.GE M,ZHAO L J,SHU S X,et al.Impact of thermal contact resistance on heat transfer coefficient of double H-type finned tube[J].Electric Power,2017,50(2): 57-63.

[21]姚壽廣,朱德書,陳育平,等.針肋套管換熱元件的傳熱及阻力性能實驗研究與分析[J].中國電機工程學(xué)報,2000,20(10):71-79.YAO S G,ZHU D S,CHEN Y P,et al.Experimental research on heat transfer and flow friction loss of pin-fin casing tube heat exchanger unit[J].Proceedings of the CSEE,2000,20(10): 71-79.

[22]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京: 高等教育出版社,2006: 57-63.YANG S M,TAO W Q.Heat Transfer[M].Beijing: Higher Education Press,2006: 57-63.

[23]趙紅霞,匙明申,管寧.流體橫掠順排和錯排方形微針肋陣列的流動傳熱與熵產(chǎn)分析[J].山東科學(xué),2005,28(1): 12-19.ZHAO H X,CHI M S,GUAN N.Analysis of flow heat transfer and entropy generation for flow across inline and staggered square micro pins in a channel[J].Shangdong Science,2005,28(1): 12-19.

Heat transfer of staggered three-dimensional externally finned tube

GE Ming1,ZHAO Lijie2,DAI Weibao1,CAI Pei1,SHU Shaoxin3,YANG Hairui4,Lü Junfu4
(1Guodian Science and Technology Research Institute,Nanjing210031,Jiangsu,China;2Beijing Tera Solar Photothermal Technologies Co.,Ltd.,Beijing101102,China;3Hi-Tech(Jiangsu)Research&Science Co.,Ltd.,Wuxi214215,Jiangsu,China;4Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

TQ 021.3

A

0438—1157（2017）10—3733—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170315

2017-03-29收到初稿，2017-08-31收到修改稿。

聯(lián)系人：呂俊復(fù)。

葛銘（1991—），男，碩士研究生。

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0600203）。

Received date:2017-03-29.

Corresponding author:Prof.Lü Junfu,lvjf@mail.tsinghua.edu.cn

Foundation item:supported by the National Key Research and Development Program of China(2016YFB0600203).