盛 健, 豆斌林, 侯 昊, 羊恒復(fù), 劉旭陽, 袁宏偉

(上海理工大學(xué) 能源動力工程國家級實驗教學(xué)示范中心, 上海 200093)

外部流動換熱是指換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展,不會受到臨近通道壁面存在的限制,是傳熱學(xué)教學(xué)中的重點內(nèi)容之一,包括流體橫掠單管、球體及管束等。空氣橫掠單管是流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面[1]。流體橫掠單管流動除了具有邊界層特征外,還要發(fā)生擾流脫體,而產(chǎn)生回流、漩渦和渦束。因此,研究流體橫掠單管,尤其是圓管,是其他外部流動換熱的基礎(chǔ),是能源動力類等相關(guān)專業(yè)學(xué)生需掌握的重要知識點。上海理工大學(xué)能源動力工程國家級實驗教學(xué)示范中心開發(fā)了空氣橫掠圓管表面?zhèn)鳠崽匦詫嶒灲虒W(xué)裝置,與理論教學(xué)相輔相成,獲得了很好的教學(xué)效果[2-4]。

該實驗裝置主要功能是測試空氣橫掠圓管時,沿圓管表面局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化和圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)聯(lián)式,以及不同風(fēng)速及圓管表面溫度對上述兩個傳熱特性的影響。讓學(xué)生了解對流換熱實驗研究方法,學(xué)習(xí)測量空氣流速、溫度和熱量的基本技能,測定空氣橫掠圓管時表面溫度分布、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式的求解,達(dá)到熟練掌握空氣橫掠圓管時的對流傳熱規(guī)律。

1 存在的問題

實驗教學(xué)裝置如圖1所示,由風(fēng)洞和傳熱測試段組成。離心風(fēng)機將空氣吸入風(fēng)洞,由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,整流后,測量進(jìn)風(fēng)溫度tf1,橫掠圓管并換熱,再測量換熱后空氣溫度tf2。通過畢托管測量空氣動壓,進(jìn)而計算空氣流速及風(fēng)量?？諝怙L(fēng)量的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度,來改變風(fēng)機風(fēng)量與壓頭工作特性。為提高可視性,風(fēng)洞采用有機玻璃制成的方形流道(200 mm×100 mm),表面光滑,因此避免了渦流的影響。

圖1 空氣橫掠圓管表面?zhèn)鳠崽匦詫嶒灲虒W(xué)裝置示意圖

如圖2所示,換熱圓管包括外側(cè)銅圓管(Φ22 mm,長200 mm)和內(nèi)側(cè)電加熱管(Φ10 mm,長200 mm),外側(cè)圓管表面車削出4個凹槽,間距為90°,用于埋設(shè)溫度傳感器,分別測量迎風(fēng)面、背風(fēng)面、上側(cè)面和下側(cè)面溫度,以觀測沿圓管表面局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化；4個溫度取平均值,用于計算圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。改變電加熱管的輸入的電壓和電流,從而改變電加熱管發(fā)熱量,換熱圓管換熱量和壁面溫度,研究壁面溫度對傳熱系數(shù)的影響[5-7]。

圖2 電路及測量系統(tǒng)示意圖

根據(jù)對流換熱的相似分析,穩(wěn)定強制對流換熱可用準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式表示[8]：

Nu=f(Re,Pr)

(1)

式中,Nu為傳質(zhì)努塞爾數(shù),Re為雷諾數(shù),Pr為普朗特數(shù)。

由于換熱介質(zhì)為空氣,在溫度變化范圍不大時,其Pr數(shù)變化很小,可作常數(shù)處理,式(1)可簡化為式(2)[9]。

(2)

式中,c和n為系數(shù),下標(biāo)f表示流體。

1.1 計算結(jié)果誤差大

實驗中,學(xué)生通過測量和計算發(fā)現(xiàn),圓管表面溫度較低,因此與空氣的換熱量較小,空氣換熱前后溫差較小,求解的傳熱關(guān)聯(lián)式中系數(shù)c和n與推薦值相差較大。

拆開傳熱測試段后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)電加熱管和外側(cè)換熱圓管之間存在較大間隙,傳熱圓管外徑22 mm,壁厚2 mm,而內(nèi)側(cè)電加熱管外徑10 mm,存在4 mm的空氣夾層。空氣是熱的不良導(dǎo)體,因此內(nèi)側(cè)電加熱管與外側(cè)換熱圓管之間熱阻較大,溫差也很大。為了實驗測量該溫差,在內(nèi)側(cè)電加熱管表面用耐高溫膠粘接K型熱電偶用于測量內(nèi)側(cè)電加熱管壁面溫度(見圖3),由于耐高溫膠導(dǎo)熱性好,并且涂抹層較薄,因此所測溫度略高于內(nèi)側(cè)電加熱管壁面溫度,基本可視為相等。

圖3 內(nèi)側(cè)電加熱管壁面溫度測點

實驗裝置改進(jìn)前,測量數(shù)據(jù)如表1所示,較高風(fēng)量和風(fēng)速條件下,圓管外壁面溫度遠(yuǎn)低于內(nèi)側(cè)電加熱管外壁溫度,相差約300 ℃。這就造成內(nèi)側(cè)電加熱管工作在高溫狀態(tài)下,使用壽命大大縮短,甚至一旦加熱功率偏大,電加熱管溫度就會超過燒毀溫度而損壞。同時,換熱圓管外壁面溫度較低,與空氣的換熱量較小,所測參數(shù)變化量小,誤差較大。學(xué)生求解的圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)c和n與推薦值的誤差分別高達(dá)±100%和±150%,影響學(xué)生利用實驗結(jié)果驗證理論教學(xué)推薦值的教學(xué)目的。

當(dāng)然通過圓管外側(cè)4個溫度測點的溫度,可以與理論教學(xué)中的沿圓管表面局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化形成印證,即相同工況下,由于邊界層的成長和流動脫體,決定了橫掠圓管換熱的特征,迎風(fēng)面換熱性能好于上下側(cè)面,而背風(fēng)面由于尾跡渦旋和空氣換熱溫升,因此溫度最高。

1.2 實驗效率低

實驗教學(xué)過程中,在學(xué)生預(yù)習(xí)和教師講解結(jié)束后,學(xué)生的實驗操作消耗時間太長,主要是等待時間長,即電加熱功率或風(fēng)量調(diào)節(jié)后,等待換熱圓管溫度穩(wěn)定需要等待的時間過長。主要原因是換熱段中存在空氣夾層,使重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)換熱需要的時間更長。

1.3 實驗裝置維修頻繁

有些學(xué)生為獲得較高換熱圓管壁面溫度而將電加熱管功率設(shè)定過大,雖然換熱圓管壁面溫度確有提高,但電加熱管長期處于高溫工作狀態(tài),使用壽命大大降低,甚至實驗中燒斷,必須經(jīng)常更換,裝置的維修成本高。

表1 改進(jìn)前測試結(jié)果

2 實驗裝置改進(jìn)

針對實驗教學(xué)裝置中內(nèi)側(cè)電加熱管與外側(cè)換熱圓管之間存在熱阻較大的空氣間隙,如果消除此間隙,導(dǎo)熱性就可提高,就可同時解決上述問題。

經(jīng)過查閱資料和分析研究[10-11],填充導(dǎo)熱材料最后在導(dǎo)熱硅膠和耐高溫?zé)o機膠C2之間做出取舍。在實際的操作過程中,因?qū)峁枘z黏度大,難以注入,而C2無機膠是用兩種成分混合而成,混合后流動性好,易于填充間隙,晾干后導(dǎo)熱性好,孔隙少,因此決定使用耐高溫?zé)o機膠C2作為填充材料注入內(nèi)側(cè)電加熱管與外側(cè)換熱圓管的間隙,如圖4所示。

圖4 電加熱管與圓管間填充耐高溫導(dǎo)熱膠

3 改進(jìn)效果

實驗裝置改進(jìn)后,測量數(shù)據(jù)見表2,較高風(fēng)量和風(fēng)速條件下,圓管外壁面溫度與內(nèi)側(cè)電加熱管外壁溫度更為接近,相差約70 ℃,相對于改進(jìn)前有很大提高,尤其是內(nèi)側(cè)電加熱管壁面溫度有大幅下降,安全性大大提高。學(xué)生求解的圓管表面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)c和n與推薦值的誤差分別降至±90%和±75%,有較大幅度提高。此外,實驗中,電加熱功率和風(fēng)量調(diào)節(jié)后,重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要等待的時間縮短,提高了實驗效率。

表2 改進(jìn)后測試結(jié)果

4 結(jié)語

原實驗教學(xué)裝置中內(nèi)側(cè)電加熱管與外側(cè)換熱圓管之間存在4 mm厚的空氣間隙,影響實驗計算結(jié)果，降低實驗效率和安全性,實驗裝置維修成本高。在電加熱管與圓管間填充了導(dǎo)熱性能較好的耐高溫?zé)o機膠C2,改善了電加熱管熱量的傳遞,提高了外側(cè)換熱圓管的壁面溫度,降低測量誤差,提高實驗準(zhǔn)確性，減少實驗等待時間,提高實驗效率，延長電加熱管使用壽命,節(jié)約實驗經(jīng)費。

改進(jìn)后,根據(jù)測試數(shù)據(jù),求解的關(guān)聯(lián)式的系數(shù)c和n值與推薦值仍有相當(dāng)誤差,還需進(jìn)一步提高風(fēng)量和溫度等測量準(zhǔn)確性。