孫坤龍

（江蘇拓米洛環(huán)境試驗設(shè)備有限公司，昆山 215300）

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷革新與發(fā)展，汽車系統(tǒng)向著更加緊湊集約、穩(wěn)定可靠的方向不斷發(fā)展。而汽車零部件的運行性能對汽車系統(tǒng)的發(fā)展程度起著決定性的作用，這意味著汽車系統(tǒng)的發(fā)展必然以汽車零部件性能的發(fā)揮為前提。也即，汽車系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上取決于汽車零部件的不斷開發(fā)。

汽車零部件在使用過程中會遇到各種各樣的環(huán)境，比如：高溫、低溫、高壓、低壓、高濕、低濕、震動、應力或由這些環(huán)境中的一些環(huán)境的交互、交變形成的更加復雜多變的環(huán)境等。因此，如何開發(fā)出對復雜多變的環(huán)境適應性更強的零部件，并能保證零部件在這些環(huán)境中具有更優(yōu)良的性能是當今零部件開發(fā)的主要方向。在這些復雜的環(huán)境中，最常見的是高低溫環(huán)境引起的零部件應力的變化。在附加應力的作用下，隨著運行時間的增長會造成結(jié)構(gòu)強度的降低、性能的衰減；甚至造成零部件的損壞。因此，為減弱高低溫環(huán)境對零部件的損害程度，使得零部件在更適宜、更穩(wěn)定的環(huán)境中工作，就需要通過換熱器為一些易受溫度影響的零部件創(chuàng)造出穩(wěn)定適宜的工作環(huán)境，從而保證這些零部件的長期可靠運行。因此換熱器是當前汽車系統(tǒng)中一個必不可少的輔助部件。然而，換熱器在這種惡劣的環(huán)境下運行時，同樣會受到高低溫引起的應力作用；由應力作用導致?lián)Q熱器失效的案例也不在少數(shù)。因此，換熱器的運行可靠性及換熱特性決定了其適宜的運行環(huán)境，研究更適宜應對高低溫環(huán)境的換熱器具有重要的意義。

由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性，刺刀管式換熱器的內(nèi)管和外管均可以自由伸縮；在高低溫環(huán)境下，其不受熱應力的作用[1]。因此，刺刀管式換熱器是一種特別適宜應對高低溫環(huán)境的換熱器。本文從理論和實驗兩個方面對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行了研究。

1 實驗系統(tǒng)與設(shè)備

本實驗系統(tǒng)是用于對單根刺刀管式換熱器的實驗，以獲得換熱過程中工質(zhì)的壓力和溫度等參數(shù)，從而對其傳熱特性進行分析與研究。

刺刀管式換熱器實驗系統(tǒng)主要包括回路系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

1.1回路系統(tǒng)

回路系統(tǒng)主要包括：氣體源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、實驗段系統(tǒng)、回熱系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)。

1.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要用來測量實驗過程中的參數(shù)。本實驗中的測控系統(tǒng)主要包括：殼程管路測量系統(tǒng)、管程管路測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

1.3 其它輔助系統(tǒng)

主要組成有：連接管道、除油過濾器、空氣過濾器及精密大氣壓力表等。

2 傳熱特性的分析與實驗

通過理論與實驗相結(jié)合的方法對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行研究。確定其傳熱特性與冷熱工質(zhì)溫度、流速、換熱器的結(jié)構(gòu)及熱邊界條件之間的關(guān)系。

2.1 影響因素的分析

由于內(nèi)管絕熱，單根刺刀管式換熱器的殼程和管程的通道均可視為圓環(huán)形通道。

2.1.1內(nèi)外壁面對傳熱特性的影響

研究結(jié)果表明，構(gòu)成圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是不同的。Monard[2]認為圓環(huán)形通道內(nèi)外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的不同是由環(huán)隙中工質(zhì)流速分布的非對稱性造成的。在圓形通道中，最大流速出現(xiàn)在管中心處，而在圓環(huán)形通道中最大流速點相對靠近內(nèi)壁面。使工質(zhì)在內(nèi)壁面上產(chǎn)生的剪切力大于在外壁面上的剪切力。

根據(jù)動量與能量傳遞類似率[3]，可得內(nèi)外壁面的傳熱系數(shù)的比值為：

式中：

di— 環(huán)道內(nèi)壁面直徑/mm；

do— 環(huán)道外壁面直徑/mm。

本實驗殼程圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的直徑分別為38 mm和52 mm，則其直徑比do/di近似為1.37；管程圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的直徑分別為22 mm和30 mm，則其直徑比do/di近似為1.36。將這兩個直徑比do/di分別帶入式(1)中得出它們的修正系數(shù)g（do/di）都近似等于1.11。

本文采用常見的已定準則的冪指數(shù)形式表達此時的對流傳熱關(guān)聯(lián)式。在其他條件相同的條件下，可以將圓環(huán)形通道的內(nèi)、外壁面的傳熱關(guān)聯(lián)式寫成以下形式，它們分別為：

其中Nu、Re數(shù)中當量直徑為流速當量直徑。

2.1.2 熱邊界條件對傳熱特性的影響

對于圓環(huán)形通道，根據(jù)熱量傳遞方向的不同將其概括為三種熱邊界條件：①內(nèi)壁傳熱，外壁絕熱；②內(nèi)壁絕熱，外壁傳熱；③兩壁面都傳熱。

在過渡流和湍流流動狀態(tài)下，V. Gnielinski對在不同熱邊界條件下的圓環(huán)形通道內(nèi)的傳熱系數(shù)進行了研究，1983年在其著作[4]中給出了目前公認的計算準確度較高且應用較為廣泛的對應不同熱邊界條件時修正系數(shù)的數(shù)學表達式，如下。

熱邊界條件為③時：

適用范圍：2 300 < Re < 106、全部介質(zhì)。

2.1.3 環(huán)隙尺寸的多變性對傳熱特性的影響

圓環(huán)形通道的環(huán)隙尺寸變化范圍廣，如果以環(huán)隙具體尺寸作為影響因素，研究的工作量將是驚人的。為了找出更合適的研究方法，J Dirker[5]將環(huán)隙的直徑比作為研究對象進行了研究，最終得出直徑比是圓環(huán)形通道的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，相同直徑比下的圓環(huán)形通道有著相同的傳熱特性。

綜上所述，對于上述提到的由于圓環(huán)形通道的熱邊界條件的復雜性、環(huán)隙尺寸的多變性以及兩側(cè)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差異性引起的圓環(huán)形通道傳熱特性難以確定的問題，本文總結(jié)并選擇通過自變量為直徑比(do/di)的修正系數(shù)來進行處理。在考慮上述三種影響因素的情況下，提出一種新的傳熱關(guān)聯(lián)式的形式為：

熱邊界條件修正系數(shù)f(do/di)的表達式見表1。

表1 f(do/di)的表達式

內(nèi)、外壁面修正系數(shù)g(do/di)的表達式見表2。

表2 g(do/di)的表達式

適用范圍：5000 < Re < 106、全部介質(zhì)。

2.2 實驗研究

通過實驗研究了工質(zhì)的流速、溫度及壓力等參數(shù)對圓環(huán)形通道內(nèi)的傳熱特性的影響，擬合得到實驗條件下的傳熱關(guān)聯(lián)式。

2.2.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 逆流實驗結(jié)果

2.2.2 傳熱關(guān)聯(lián)式的擬合

雖然本實驗段殼程工質(zhì)與外界有換熱，但其與冷熱工質(zhì)間的傳熱量相比非常少，可以忽略。因此殼程的傳熱關(guān)聯(lián)式應選取熱邊界條件為①時的內(nèi)壁面?zhèn)鳠彡P(guān)聯(lián)式，即：

由于管程圓環(huán)形通道內(nèi)工質(zhì)是通過通道外壁面單方向的傳熱，管程的傳熱關(guān)聯(lián)式應選取熱邊界條件為②時的內(nèi)壁面?zhèn)鳠彡P(guān)聯(lián)式，即：

將實驗結(jié)果與式（8）、（9）建立聯(lián)系，找出使偏差最小時參數(shù)C、m及n的值，這些值就是關(guān)聯(lián)式的最優(yōu)參數(shù)，這樣就擬合出了最佳的傳熱關(guān)聯(lián)式。

研究發(fā)現(xiàn)當流體為空氣時，對于指數(shù)n的取值范圍基本在0.3 ~ 0.4之間，并且有學者推薦n取1/3[6]；本文取指數(shù)n的值為1/3。

根據(jù)本實驗的擬合結(jié)果獲得的環(huán)隙外壁面和內(nèi)壁面的傳熱關(guān)聯(lián)式分別為：

該式的適用范圍為：7×103< Re < 5×104，介質(zhì)為空氣。

3 結(jié)語

本文對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的傳熱特性進行了分析，在實驗的基礎(chǔ)上獲得了內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱實驗段的傳熱關(guān)聯(lián)式，得出的主要結(jié)論如下：

1）熱邊界條件的復雜性、通道尺寸的多變性以及通道內(nèi)外壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差異性是圓環(huán)形通道傳熱特性的主要影響因素。本文結(jié)合上述三種影響因素及現(xiàn)有的研究成果，提出了針對圓環(huán)形通道傳熱特性的一種新的傳熱關(guān)聯(lián)式的形式。

2）實驗研究了內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器中實驗段工質(zhì)溫度、壓力、流速以及流向?qū)鳠崽匦缘挠绊?，獲得了實驗工況下的傳熱關(guān)聯(lián)式；對內(nèi)管絕熱刺刀管式換熱器的設(shè)計及在生產(chǎn)實際中的應用具有重要的意義。