H型鰭片管束傳熱特性實驗研究

吳 新 商宇薇 王軍龍 任鋼煉

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

(3江蘇申港鍋爐有限公司，張家港 215600)

H型鰭片管束傳熱特性實驗研究

吳 新1，2商宇薇1，2王軍龍1，2任鋼煉3

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

(2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

(3江蘇申港鍋爐有限公司，張家港 215600)

在傳熱風(fēng)洞實驗臺上對5組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的H型鰭片管束氣側(cè)的傳熱與阻力特性進行了實驗研究.實驗中考慮了管徑、鰭片凈高度、鰭片節(jié)距以及管排橫縱向間距等影響因素，并將實驗結(jié)果與前蘇聯(lián)鍋爐熱力計算標準進行了比較.根據(jù)實驗結(jié)果擬合得到了管徑φ38 mm、管排縱向間距變化的H型鰭片管束的傳熱及阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式和適用于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下H型鰭片管束的傳熱總關(guān)聯(lián)式;96.5%的實驗數(shù)據(jù)與H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式計算數(shù)值誤差小于±15%.同時，將關(guān)聯(lián)式計算值與現(xiàn)有兩文獻中的實驗數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果表明，傳熱準則數(shù)的最大誤差分別為11%和17.7%.該研究為H型鰭片管束的設(shè)計提供了可靠的依據(jù).

H型鰭片管束;傳熱;阻力系數(shù);關(guān)聯(lián)式

換熱設(shè)備在CFB等鍋爐中占有重要的地位，其傳熱性能對機組節(jié)能有著重要的意義.H型鰭片管束除了具有增大管外傳熱面積、實現(xiàn)強化傳熱的優(yōu)點外，還具有如下優(yōu)良特性:① 不積灰性能.H型鰭片焊在管子不易積灰的兩側(cè)，鰭片中間留有一定距離的間隙，鰭片與氣流方向平行，因此氣流可以吹掃管子鰭片上積灰，從而起到很好的防止積灰、減小流動阻力的作用.② 提高傳熱性能.鰭片表面特殊的溝槽結(jié)構(gòu)使煙氣易于吹掃管束表面進口和尾部分離區(qū)中的積灰，從而降低了積灰對整個鰭片換熱的影響，達到強化傳熱的目的.

“創(chuàng)投”項目的實施，涉及政府、債權(quán)人(現(xiàn)在主要是銀行和擔保機構(gòu))、新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體和農(nóng)民，各方利益訴求不同，影響因素也不一樣。

鑒于H型鰭片管具有的上述優(yōu)點，有關(guān)鰭片管傳熱特性的研究日益增多［1－10］.劉聿拯等［2］對某結(jié)構(gòu)參數(shù)H型鰭片管束進行了傳熱與阻力實驗研究，最終得到適用于其結(jié)構(gòu)參數(shù)的H型鰭片管束的傳熱與阻力關(guān)聯(lián)式.張知翔等［3］基于Fluent計算平臺對特定結(jié)構(gòu)參數(shù)H型鰭片管的傳熱特性、阻力特性和綜合性能進行了數(shù)值研究，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱及阻力的影響規(guī)律.Ay等［4］使用紅外線測溫儀測得鰭片管換熱器上鰭片的溫度分布，并通過獲得鰭片溫度分布推導(dǎo)出鰭片局部換熱系數(shù).

由于不同學(xué)者所研究的H型鰭片管束的結(jié)構(gòu)差異與研究條件的限制，迄今為止H型鰭片管束的傳熱與阻力特性的各種計算方法(包括有關(guān)計算標準中推薦的計算方法)的結(jié)果差異較大，不能滿足實際需要.本文針對5組不同結(jié)構(gòu)，3種管徑的H型鰭片管束進行傳熱與阻力實驗，對φ38 mm管徑H型鰭片管束單獨擬合出精度較高的傳熱與阻力關(guān)聯(lián)式;并通過5組實驗數(shù)據(jù)，擬合出考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)影響且適用范圍較廣的傳熱總關(guān)聯(lián)式.

1 實驗系統(tǒng)及元件

1.1 實驗系統(tǒng)

H型鰭片管束傳熱與阻力實驗系統(tǒng)由空氣系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)組成，如圖1所示.其中，空氣系統(tǒng)包括引風(fēng)機、0.5 m的過渡段、1.3 m的實驗段以及1.2 m的穩(wěn)定段等，熱水系統(tǒng)由鍋爐、水泵、流量計及實驗段組成.給水經(jīng)鍋爐加熱后進入H型鰭片管束換熱器，被引入的空氣沿穩(wěn)定段到達實驗段，橫向沖刷H型鰭片管束，空氣與水成逆流布置，被鰭片管束內(nèi)熱水加熱后回到風(fēng)機.熱水被管外空氣冷卻后流回鍋爐循環(huán)使用.

在實驗過程中，通過實驗管束的進出口風(fēng)溫以及換熱器保溫層外壁溫均采用經(jīng)標定的精度為0.5級的銅－康銅熱電堆精確測量，溫度范圍為20～50℃;進出口水溫使用鉑電阻測量，溫度范圍為80～60℃;空氣進出口壓差采用CYR-ID差壓變送器測量;空氣側(cè)流量使用旋渦流量計和笛形管流量計串聯(lián)測量，水側(cè)流量則采用渦輪流量計與浮子流量計串聯(lián)測量.上述測量數(shù)據(jù)均采用計算機采集.

圖1 傳熱風(fēng)洞實驗臺示意圖

1.2 實驗元件

由于文獻［11］中所采用的特征長度為鰭片節(jié)距，因此在比較前將NuH和ReH的特征長度［11］轉(zhuǎn)化為與本文一致的管外徑，即

圖2 H型鰭片管結(jié)構(gòu)示意圖

表1 H型鰭片管結(jié)構(gòu)參數(shù)表 mm

2 實驗原理及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實驗原理

對圖2中的H型鰭片管，冷空氣橫掠鰭片管時從管內(nèi)熱水中吸收熱量.熱水與冷空氣之間總的換熱量、鰭片管熱傳導(dǎo)熱量以及鰭片管內(nèi)側(cè)熱水與管壁的換熱量三者相等，即

本文分別對4個矩形空心墩進行了擬靜力試驗，試件編號分別為 201、603、704、706，其截面相同，幾何尺寸見圖1；混凝土采用C40，縱筋及箍筋均為Ⅱ級鋼筋見圖2；各試件的參數(shù)見表1[5]。試件分為兩個組，分別研究分析不同剪跨比和配箍率的影響。

式中，tw1為管內(nèi)側(cè)壁面溫度，℃;tw2為管外側(cè)壁面溫度，℃;t1為鰭片管外側(cè)冷空氣溫度，℃;t2為管內(nèi)熱水溫度，℃;Q為熱水與冷空氣換熱量，W;h1為鰭片管外側(cè)冷空氣對流換熱系數(shù)，W/(m2·K);h2為管內(nèi)熱水對流換熱系數(shù)，W/(m2·K);ηf為鰭片效率;Ff為鰭片表面積，m2;Fb為鰭片管外側(cè)光壁面積，m2;d為管外徑，m;di為管內(nèi)徑，m;l為管束總長度，m;λw為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃).

翻譯是一種跨語際的交流活動，語言的差異造成了社會、文化的等方面的差異。有時，某些差異是可以通過直接在目的語中找到適當?shù)奶娲枰越鉀Q，而也有些則是無法直接逾越的鴻溝，需要譯者花費更多精力才能達到最大限度地貼近目的語的效果。

式中，k為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K);F1為管外側(cè)流體傳熱總面積(Fb+Ff)，m2.

由式(1)及(2)可得

果然，我爬到窗戶口看到了劉佳，他來送昨天我媽塞在他手里的錢，我媽拼命說我不懂事，又拼命把劉佳夸成了一朵花，讓他跟我一塊玩，好讓我也變得聽話些。

從而有

養(yǎng)殖生產(chǎn)實踐證明，青蝦與小龍蝦混養(yǎng)是可行的。在飼養(yǎng)期間要注意以下的問題：①要合理控制青蝦與小龍蝦的放養(yǎng)密度，密度過大時小龍蝦可能攝食青蝦，青蝦也可以攝食小龍蝦。②混養(yǎng)池塘水體的溶解氧應(yīng)當保持在5.0mg/L以上，最低也不能低于3.0mg/L。③要保證充足的飼料供應(yīng)，以防青蝦與小龍蝦之間，或青蝦內(nèi)部間，或小龍蝦內(nèi)部間相互殘殺。④青蝦與小龍蝦一旦達到商品規(guī)格，即捕撈出售。

式中，H型鰭片效率按方形翅片公式計算，鰭片效率與鰭片幾何尺寸和h1有關(guān)，在計算中應(yīng)進行迭代求解［11－12］.

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 傳熱準則數(shù)的計算

式中，Δpj為空氣沿工作段總壓降，Pa;u為換熱段最小截面處空氣流速，m/s;ρ為空氣密度，kg/m3;z為縱向管束排數(shù).

1.配送線路的選擇無序。嘉興A配送中心的產(chǎn)品主要是家電產(chǎn)品，其銷售具有非常明顯的季節(jié)性特點，進入銷售旺季時公司的物流配送就沒有了系統(tǒng)的調(diào)配與管理，中心站點既缺乏了合理的路線選擇，也沒有了合理的時間安排，出現(xiàn)了物流配送路線選擇與車輛搭配的無序性問題。

最后通過式(4)與(5)計算出H型鰭片管束的傳熱準則數(shù).

2.2.2 流動阻力的計算

鰭片管的阻力特性可由阻力系數(shù)ξ表示.阻力系數(shù)ξ計算式為

在實驗中，首先根據(jù)水側(cè)與空氣側(cè)熱量平衡，減去實驗過程中換熱段存在的對流與輻射熱量損失(在實驗過程中該熱量損失實測不大于2%)得到實際傳熱量，然后根據(jù)式(2)和(4)計算得到空氣側(cè)對流換熱系數(shù).但要得到鰭片管束的傳熱關(guān)聯(lián)式，則必須獲得不同Re所對應(yīng)的Nu值(其中Re以管外徑為特征長度)，即

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 H型鰭片管束傳熱特性分析

將實驗中5組H型鰭片管束的傳熱實驗結(jié)果與前蘇聯(lián)1973年鍋爐熱力計算標準［11］推薦的方法所得的計算結(jié)果進行比較，其計算公式如下:

在當前我國經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)背景下，地方國有平臺在發(fā)展過程中呈現(xiàn)出了諸多弊端，就當下而言，很多地方國有平臺公司仍以政府行政作為公司發(fā)展的主導(dǎo)，存在組織結(jié)構(gòu)不健全，人力資源管理粗放的問題，不利于平臺公司的發(fā)展，難以有效激發(fā)公司的競爭力，同時人力資源粗放管理，公司內(nèi)缺乏公平競爭的機制，會造成平臺公司的人才流失，人力資源失衡，因此針對上述問題開展研究，是確保地方國有平臺公司健康發(fā)展的重要途徑。

目前從筆者指導(dǎo)學(xué)生參加大賽的情況來說，主要分為兩種，一種是自主命題，學(xué)生自由組隊完成自主命題的作品，最后提交作品進行評比；另一種是題目固定，由組委將題目和主要功能需求列出，然后學(xué)生組隊參賽，在指定的時間內(nèi)提交作品進行評比。不管哪一種類型的大賽，其主要特點有以下幾點，以中國“軟件杯”軟件設(shè)計大賽為例進行說明。

式中，NuH為以鰭片節(jié)距為特征長度的努塞爾數(shù);Cz為空氣行程方向上管排修正系數(shù);Cs為管束幾何布置方式的修正系數(shù);ReH為以鰭片節(jié)距為特征長度的雷諾數(shù).

從2017年度藝術(shù)民族志個案研究的綜合分析來看，研究者能夠主動地使用人類學(xué)的理論來闡釋民族民間藝術(shù)，田野研究的質(zhì)量也有了不同程度的提升。雖然這些研究者多為具有藝術(shù)學(xué)學(xué)科背景的學(xué)者，但是敢于打破固有的“就藝術(shù)而論藝術(shù)”的研究范式，并且能夠在深入的田野調(diào)查基礎(chǔ)上呈現(xiàn)出有獨到見解的藝術(shù)民族志，是值得肯定的。主要關(guān)注的問題集中于藝術(shù)形態(tài)、藝術(shù)功能、文化變遷、文化生態(tài)、審美認同、文化身份、藝術(shù)家與傳承人等方面。

本文研究的實驗元件結(jié)構(gòu)如圖2所示，沿空氣流程方向順列布置3×10排管束，整個管束的水路相串聯(lián)，H型鰭片管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.單根鰭片管總長度為320 mm.

按照式(8)進行特征長度轉(zhuǎn)化后，僅以φ 38 mm管徑、管排縱向間距88 mm的H型鰭片管束為例，對比結(jié)果如圖3所示.

圖3 φ38 mm管徑實驗數(shù)據(jù)與計算值［11］的比較

從圖中可見，實驗得到的H型鰭片管束傳熱準則數(shù)趨勢與文獻［11］的結(jié)果相同，且計算值［11］均比實驗數(shù)據(jù)低1.2% ～6.9%，主要原因:① 文獻［11］中所研究的是方形翅片，而本實驗研究的為H型鰭片，H型鰭片迎風(fēng)面具有特殊的溝槽結(jié)構(gòu)，減小了傳熱惡化部分，因此傳熱性能較方形翅片管要高.② 文獻［11］中關(guān)聯(lián)式是在400℃煙氣下實驗得到的經(jīng)驗公式，而本實驗采用40℃左右的空氣，二者Pr的差異，使文獻［11］計算值較低.

說到這里，小馬突然壓低了嗓音說，“這次演出，不曉得哪個好事者傳到她老公耳朵里，回來后罵她翻騷，還打了她哩！”

3.2 φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱與阻力關(guān)聯(lián)式

圖5(a)為傳熱準則數(shù)實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算值之間的對比圖.如圖中所示，95.1%的實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算數(shù)值之間誤差在±5%以內(nèi).當Re＜2.0×104時，兩者相差較小，隨著Re的增大，誤差增加，最大誤差為5.81%，最小誤差為0.12%.

圖4 φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱準則數(shù)與阻力系數(shù)曲線

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)處理方法，可得到流體橫向沖刷φ38 mm管徑H型鰭片管束時的傳熱與阻力關(guān)聯(lián)式分別為

式中，特征長度為管外徑d;定性溫度為管外流體進出口平均溫度;實驗Re范圍為3.0×103～3.0×104.

圖4(a)、(b)分別為φ38 mm管徑下，3組不同管排縱向間距的H型鰭片管束的Nu-Re以及ξ-Re關(guān)系曲線.如圖中所示，隨著Re的增大，傳熱性能增強，阻力系數(shù)減小.在相同Re下，隨著鰭片管束管排縱向間距增加，傳熱性能增強，阻力系數(shù)增大.這主要是因為管排縱向間距減小時，后排管對前排管的擾流起到抑制作用，從而使空氣流經(jīng)前排管時的湍流強度減小，導(dǎo)致傳熱能力降低，阻力系數(shù)下降.

圖5 φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱準則數(shù)及阻力系數(shù)實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算值比較

圖5(b)為阻力系數(shù)實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算值之間的對比.如圖中所示，94.8%的實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算數(shù)值之間誤差在±10%以內(nèi)，最大誤差為10.51%，最小誤差為0.31%.

管內(nèi)熱水與管外冷空氣之間的傳熱系數(shù)為

3.3 H型鰭片管束傳熱總關(guān)聯(lián)式

通過5組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)H型鰭片管束傳熱實驗后，將實驗所得數(shù)據(jù)進行整理，綜合考慮管徑、鰭片凈高度、鰭片節(jié)距以及管排橫縱向間距等影響因素，擬合出如下公式:

式中，特征長度為管外徑d;定性溫度為管外流體進出口平均溫度;Re范圍為3.0×103～3.0×104.

實驗證明，管排間距對傳熱性能影響較大，關(guān)聯(lián)式(11)在文獻［11］的基礎(chǔ)上，考慮了管排橫縱向間距對傳熱準則數(shù)的影響.因此該關(guān)聯(lián)式考慮的影響因素更加全面.

圖6為傳熱實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算值之間的對比圖.如圖中所示，96.5%的實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算數(shù)值之間誤差在 ±15%以內(nèi).最大誤差為15.4%，最小誤差為0.21%.

圖6 H型鰭片管束實驗值與總關(guān)聯(lián)式計算值的比較

3.4 H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式驗證

本文通過對5組管徑H型鰭片管束進行實驗，分別擬合出φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式(9)以及適用范圍更廣的總傳熱關(guān)聯(lián)式(11)，為對關(guān)聯(lián)式驗證，本文采用關(guān)聯(lián)式(9)和(11)分別計算文獻［1－2］中φ38 mm管徑H型鰭片管束的實驗值，并將計算值與實驗數(shù)據(jù)［1－2］進行對比，結(jié)果如圖7所示.

圖7 實驗數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式計算值的比較

圖7(a)為文獻［1］中實驗數(shù)據(jù)與本文關(guān)聯(lián)式(9)和(11)計算值對比圖，其特征長度為管外徑，Re范圍為5.0 ×103～1.6 ×104.從圖中可以看出，φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式(9)的計算值與文獻［1］實驗數(shù)據(jù)相比，在小Re下相差較小，最小相差0.7%.當用總關(guān)聯(lián)式(11)進行計算時，最大相差17.7%，最小相差2.6%.這主要是由于文獻［1］中的實驗為半工業(yè)性實驗，其實驗段置于鍋爐尾部通道中，數(shù)據(jù)動態(tài)變化較大，實驗結(jié)果的精確度受到影響.

圖7(b)為文獻［2］中實驗數(shù)據(jù)與本文關(guān)聯(lián)式(9)和(11)計算值對比圖，其特征長度為管外徑，Re范圍為2.3 ×103～2.3 ×104.從圖中可以看出，本文φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式(9)與總關(guān)聯(lián)式(11)的計算值和文獻［2］實驗數(shù)據(jù)趨勢相同，且相差較小，對于φ38 mm管徑H型鰭片管束傳熱關(guān)聯(lián)式(9)，最大相差7.1%，最小相差1.5%.當用總關(guān)聯(lián)式(11)進行計算時，最大相差11%，最小相差3%.

對于結(jié)構(gòu)參數(shù)與φ38 mm管徑相同的H型鰭片管束，可直接應(yīng)用關(guān)聯(lián)式(9)，該式參數(shù)少，公式簡潔.對于結(jié)構(gòu)參數(shù)與φ38 mm管徑H型鰭片管存在較大差異時，可參考總關(guān)聯(lián)式(11)，該式的使用范圍較廣.

4 結(jié)論

1)H型鰭片管束的傳熱準則數(shù)和阻力系數(shù)與氣體的雷諾數(shù)有關(guān).隨著氣體Re的增大，氣側(cè)Nu不斷增大，ξ不斷減小.

此外，在限幅機構(gòu)與探測器一同飛行工作階段以及鉆取采樣作業(yè)全工作過程中，限幅機構(gòu)將受到隨機的振動載荷以及鉆具的橫向負載：

2)通過多元線性回歸，得到φ38 mm管徑H型鰭片管束在一定范圍內(nèi)的傳熱與阻力系數(shù)的關(guān)聯(lián)式:

3)通過多元線性回歸，得到H型鰭片管束在一定范圍內(nèi)的傳熱總關(guān)聯(lián)式:

式中，特征長度為管外徑d，定性溫度為管外流體進出口平均溫度，Re范圍為3.0×103～3×104.

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Experimental research heat transfer characteristics of H-type finned tube bundles

Wu Xin1，2Shang Yuwei1，2Wang Junlong1，2Ren Ganglian3

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)(3Jiangsu SUNCO Boiler Co.，Ltd，Zhangjiagang 215600，China)

Extensive experiments on the heat transfer and pressure drop characteristics of H-type finned tube bundles were carried out.In the present study，5 samples of H-type finned tube bundles with different geometrical parameters，including the tube diameter，fin height，fin pitch，transverse tube pitch and longitudinal tube pith were tested in a wind tunnel.Test results are compared with results calculated from the correlation in Soviet thermodynamic calculation standard of boilers.The corresponding correlations of heat transfer and friction factor for H-type finned tube bundles with the tube diameter of 38 mm are proposed based on the experimental results.The comprehensive heat transfer correlation for H-type finned tube bundles with different geometrical parameters is also established and the correlation can describe 96.5%of the database with an error of±15%.Comparisons between two groups of existing experimental data in literature and results calculated from the correlations are shown.The maximum differences of the Nusselt number are 11%and 17.7%，respectively.The present investigation provides a reliable basis for the design of H-type finned tube bundles.

H-type finned tube bundles;heat transfer;friction factor;correlations

TK172

A

1001－0505(2013)01-0088-06

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.017

2012-09-13.

吳新(1969—)，男，副教授，wuxin@seu.edu.cn.

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAA02B01-02).

吳新，商宇薇，王軍龍，等.H型鰭片管束傳熱特性實驗研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，43(1):88－93.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.017］