微波浪管傳熱與阻力特性實驗研究

朱 升，孫中寧，范廣銘

（哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

開發高效換熱元件進而提高換熱設備性能是強化換熱領域的重要研究課題。迄今為止，已開發了多種結構形式的強化換熱元件，如螺紋管、縮放管、針翅管、螺旋扁管等，在石油、化工、能源等領域得到實際應用，并取得了顯著效果。

由于受到加工工藝的限制，這些換熱元件多數不適于高溫高壓換熱器。微波浪管加工工藝簡單，對傳熱管表面不產生破壞，且具有自清潔和熱應力自補償能力，是一種很有發展潛力的高效換熱元件。文獻［1－3］通過數值計算對不同結構形式微波浪管的傳熱及流動特性進行了分析。結果顯示，微波浪結構能大幅提高管內的傳熱系數，與相同情況下直管相比，傳熱系數最高可增加170%，同時摩擦阻力系數最高僅增加55%。Yang等［4］對正弦波浪管進行了傳熱和壓降特性方面的實驗研究，并對曲率不同的微波浪管進行了對比分析。在實驗范圍內，微波浪管的換熱系數最高可增加100%，流動阻力增加幅度小于40%。從這些研究可知，微波浪管能大幅增加管內換熱系數，而引起的沿程流動阻力增幅相對較小，綜合強化換熱效果明顯，具有較高的實際應用和推廣價值。

目前，對微波浪管的研究還很有限，且主要集中在數值分析方面，實驗研究較為缺乏。本文將利用實驗方法對小弧度圓弧結構不銹鋼微波浪管內的傳熱及流動特性進行研究。

1 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置流程如圖1所示。

圖1 實驗臺流程圖Fig.1 Flow diagram of experiment apparatus

實驗臺主要由熱水回路、冷水回路、測量與控制系統、實驗段等4部分組成。水循環動力分別由熱循環水泵和冷循環水泵提供。

實驗段（圖2）是一小型的套管式換熱器，外部套管由兩段長500mm、寬30mm、高50mm、壁厚3mm的矩形不銹鋼管組合而成，內部裝實驗管；實驗段兩端裝有引壓環，引壓孔間距為1 070mm，通過引壓孔測量實驗管內流動壓降。

圖2 實驗段結構圖Fig.2 Scheme of test section

實驗管材質為不銹鋼，通過特制的模具加工成圖3所示的微波浪管。圖3中，do為實驗管外徑；di為實驗管內徑；L為波長；A為波幅；A／L為波幅－波長比。其結構參數列于表1。

圖3 微波浪管結構圖Fig.3 Schematic shape of micro－wavy tube

實驗時，套管內走熱水，進口水溫及流量保持不變。實驗管內走冷水，進口水溫也保持不變，通過改變冷水流量來實現不同工況下的實驗。在熱水和冷水的進、出口處均裝有銅－康銅鎧裝熱電偶，冷、熱水回路中均裝有渦輪流量計，通過測得的冷水和熱水的進、出口溫度及流量計算出通過實驗管壁的平均對流換熱量。在管路和實驗段外部包裹橡塑保溫層，以減小管路和實驗段的散熱對實驗結果的影響；在實驗管外壁的6個截面均勻布置了12對鎳鉻－鎳硅熱電偶，由此測得實驗管外壁的平均溫度，進而推算出實驗管內壁溫度；通過引壓環及U型管式壓差計（大流量時采用差壓變送器）測量實驗管內流動的阻力壓降。實驗中所用儀表均進行了專門標定。

表1 實驗管結構參數Table 1 Structure parameters of test tubes

2 實驗結果及分析

在實驗段長度一定時，與直管相比，微波浪管實際換熱長度和管內流程均有一定的增加，由此引起在相同實驗段內，微波浪管的換熱量和管內摩擦阻力也相應增加。在評價微波浪管的綜合傳熱性能時，要避免由于上述差異造成的影響，以單位面積的換熱特性和單位長度內的流動特性進行對比，即以無量綱參數Nu及摩擦阻力系數f為指標。

式中：Δp為阻力壓降；λ為水的導熱系數；ρ為水的密度；l為流程長度；u為管內流速。

實驗管內表面換熱系數h由牛頓冷卻公式計算得出：

式中：Q為對流換熱量；Ai為實驗管內表面面積；twi為實驗管內壁溫度；tf為管內水溫度。

2.1 換熱特性

實驗結果如圖4所示。與直管相比，微波浪管的傳熱性能有較大幅度的提高，在相同Re時，1＃、2＃、3＃3根微波浪管的Nu分別增加了 28.5% ～111.5%、33.8% ～166.7% 和31.2%～101.4%；且隨著Re的增大，微波浪管Nu增加趨勢平穩，無轉折出現，這點與直管Nu隨Re增大的變化情況差別明顯。

在Re≤10 000時，隨著Re的不斷增加，Nu相應平滑增大，與直管相比，在Re＝2 300左 右 時，可 分 別 增 大 111.5%、166.7% 和101.4%。此后，隨著Re的繼續增大，微波浪管的Nu增大幅度逐漸減小，如圖4a所示。在此范圍內，3根微波浪管的傳熱性能關系為2＃＞1＃＞3＃，且大小關系始終保持這一順序，這與3根微波浪管的波幅大小順序一致，表明在此范圍內，波幅的大小對微波浪管換熱性能起主要作用，增大波幅可提高微波浪管的對流換熱能力。

圖4 各實驗管換熱性能對比Fig.4 Comparison of heat transfer performance of test tubes

隨著Re的進一步增大，3根微波浪管的Nu繼續保持增長的趨勢，如圖4b所示，但與相同Re下直管的Nu相比，增加的幅度相對較小，3根微波浪管的Nu平均增大幅度分別為28.5%～32.6%、33.8% ～70.6%、31.2% ～61.2%。當Re＝20 000左右時，3根微波浪管的Nu間的大小順序發生了變化，3＃微波浪管的Nu開始高于1＃微波浪管，并逐漸接近于2＃微波浪管。分析各微波浪管的結構參數可得出，在Re＞20 000時，波幅對換熱性能的影響相對較小，波長開始成為影響微波浪管的換熱能力的主要因素。

分析微波浪管換熱性能提高的原因，可能有以下3方面：1）微波浪管的特殊結構增強了管內流體微團間的摻混作用，使得在較小Re時管內流動就進入紊流狀態，在大Re時增強了流動的紊流程度，使得不同溫度流體微團間的摻混更加充分，進而增強了對流換熱能力；2）流體在微波浪管內流動的過程中，在波浪形結構流道的約束下，主流流動方向會發生周期性的改變，流動方向的周期性變化增強了對管壁的沖刷作用，可減小熱邊界層的厚度，降低管壁與管內流體間的換熱熱阻，提高換熱性能；3）流體在流經微波浪管的弧形彎道時，在離心力、上游驅動力及重力的共同作用下會產生垂直于主流流動方向的二次流，二次流的產生會進一步增強流體微團間的摻混及對管壁的沖刷，促進了不同溫度流體間的導熱和壁面與流體間的換熱，強化了管壁與流體間的換熱過程［5］。

在Re＜10 000時，直管內的流動尚未進入充分紊流階段，上述3個因素對管內流動的影響較大，因此，與直管相比，微波浪管的強化換熱效果明顯；而在大Re時，直管內的流動已進入穩定的紊流狀態，流體微團間的摻混已較充分，微波浪結構對管內流動的影響減小，故與直管相比，微波浪管的強化換熱效果也相對較弱。

2.2 阻力特性

微波浪管流動特性的實驗結果如圖5所示。在實驗范圍內3根微波浪管的f均高于直管，隨著Re的增加，微波浪管的f曲線未出現轉折點，表明在實驗范圍內微波浪管內的流動并未出現像直管內流動那樣明顯的流態變化。在Re＝2 300附近，各微波浪管的f均較直管高出很多，1＃、2＃和3＃微波浪管的f最大分別增加了95.1%、96.3%和67.5%。

Re≤10 000時，各微波浪管的f隨Re的變化趨勢穩定，隨著Re的增加，微波浪管的f曲線平滑降低，如圖5a所示。其中1＃、2＃微波浪管的f較為接近，并高于3＃微波浪管，這與3根微波浪管A／L的大小關系一致，說明在此范圍內A／L對f影響顯著。

隨著Re的進一步增大，微波浪管的f增加幅度相對較小，在10 000＜Re＜80 000實驗范圍內，各微波浪管的f增加幅度均在20%以內，如圖5b所示。在此Re范圍內，1＃、3＃微波浪管的f較為接近，并明顯低于2＃微波浪管，與3根微波浪管波幅之間的關系一致，意味著在Re＞10 000時，波幅是影響微波浪管f的決定性因素。

相同Re時，在波浪形流道的約束作用下，流體在微波浪管內的流動狀態較在直管內的流動狀態復雜得多。流體在微波浪管內流動時會發生流動方向的周期性改變以及產生二次流動，這些因素在增強流體對管壁的沖刷、促進流體微團間的相互摻混進而強化換熱過程的同時，也要消耗驅動壓頭，致使微波浪管內的流動阻力系數高于直管。

圖5 各實驗管流動特性對比Fig.5 Comparison of resistance characteristics of test tubes

2.3 綜合性能評價

在傳熱面積、流量及流體輸送功率相同的條件下，采用強化管綜合性能評價因子R對各微波浪管的綜合傳熱性能進行評價［6］，即：

式中：下標B代表微波浪管，S代表直管。

微波浪管綜合換熱性能對比示于圖6。由圖6可看出，在實驗范圍內，各微波浪管的R均大于1，其中，2＃微波浪管的R最大可達2.23左右，1＃和3＃微波浪管最大可達1.75左右，說明微波浪結構能較大幅度提高換熱管的綜合換熱性能，對進一步提高換熱器性能、提高能源利用率和增加經濟效益具有一定的實際意義。

圖6 微波浪管綜合換熱性能對比Fig.6 Comparison of integrated heat transfer performance of micro－wavy tubes

同時，由圖6也可得出，微波浪管的綜合換熱性能隨著Re的變化出現了較大的波動。與直管相比，在不同Re范圍內，微波浪管的綜合換熱性能增加幅度差別較大。因此，在工程中應根據具體工況來確定微波浪管的應用范圍。

3 結論

本文通過實驗對3種不同結構微波浪管的傳熱及流動特性進行了研究，對微波浪管這一新型強換熱元件的綜合換熱性能有了進一步認識，得出以下結論。

1）與直管相比，微波浪管能較大幅度地提高對流換熱性能，在Re≤10 000時，1＃、2＃和3＃微波浪管的Nu最大可分別增加111.5%、166.7% 和101.4%；在Re＞10 000時，增加幅度相對較小，可分別增加28.5%～32.6%、33.8%～70.6%和31.2%～61.2%。

2）微波浪管的f在Re≤10 000時增加幅度較大，尤其是在Re＝2 300左右時，可分別增大95.1%、96.3%和67.5%；但當Re＞10 000時，f增幅明顯減小，最大僅分別增加17.8%、18.1%和12.6%。

3）在不同的流動區間內，影響微波浪管傳熱和流動特性的因素不同。在Re≤20 000時，對微波浪管換熱性能起決定性作用的因素是波幅A；Re＞20 000時，起主要作用的因素是波長L；在Re≤10 000時，影響微波浪管流動特性的主要因素是波幅－波長比A／L；Re＞10 000時，對其起決定作用的因素是波幅A。

4）在實驗范圍內，與直管相比，各微波浪管的R均明顯大于1，綜合傳熱效能最大可提高1.2倍以上。

［1］YANG R，CHANG S F，WU W.Flow and heat transfer in a curved pipe with periodically varying curvature［J］.Int Com Heat Mass Transfer，2000，27（1）：133－143.

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［5］湛含輝，成浩，劉建文，等.二次流原理［M］.長沙：中南大學出版社，2006.

［6］WEBB R L.Application of rough surfaces to heat exchanger design［J］.Int J Heat Mass Transfer，1972，15（9）：1 647－1 658.