扁管传热与阻力特性的实验研究

第３０卷第２期

核动力工程

Ｖ０１．３０．Ｎｏ．２２００

９年４月

ＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ａｐｒ．２００９

文章编号：０２５８．０９２６（２００９）０２－００１２—０５

扁管传热与阻力特性的实验研究

贺士晶，孙中宁，阎昌琪，范广铭

（哈尔滨工程大学核科学与技术学院。哈尔滨．１５０００１）

摘要：以水为工质，对３种不同几何尺寸的扁管进行了传热与流阻的实验研究。相同换热条件下３根扁管的传热系数和管内传热系数均高于圆管，管内传热系数最大可提高到圆管的２．４３倍。说明扁管具有很好的强化传热效果，但压降也高于圆管。同时对扁管在套管内水平和竖直２种放置方式的换热情况进行了对比，实验结果表明竖直放置的传热效果优于水平放置。

关键词：扁管；强化传热；阻力特性中图分类号：ＴＫｌ２４

文献标识码：Ａ

１

引言

引６ｒａｍ

提高换热器的传热性能，能有效提高能源的

利用率【１１。扁管在管壳内的布置方式要比圆管紧凑，并且传热性能也优于圆管，因此，利用扁管制成的扁管壳式换热器，将是兼有板式换热器紧

凑结构和管壳式换热器优点的高效换热设备【２】。

从已有报道来看１２￣４Ｊ，对扁管强化传热性质的研究多以空气为工质，以水为流动介质的研究比图１扁管截面

较少。本文以水为工质对扁管管内换热和阻力特Ｆｉｇ．１

ＦｌａｔＴｕｂｅＳｅｃｔｉｏｎ

性进行了实验研究，并对扁管的放置方式对换热

实验研究。的影响进行了实验研究。２．２阻力实验

阻力实验是在冷态下对３根不同几何尺寸的

２实验过程

扁管进行流阻实验。考虑到流量的测量范围比较２。１传热实验

大，阻力损失的变化范围也较大，所以把阻力实

传热实验体是一台水平套管换热器。管程走验分为２部分进行，以保证小Ｒｅ实验范围内压

冷水，吸收热量；壳程走热水释放热量。控制壳

差测量和流量测量的准确性，减小测量误差。

程热水温度与流量为定值，改变管内冷水的流量，实验分为２部分：①流动驱动压头由高位水待换热稳定后测量冷热水的进出１３温度和实验管

箱提供，压差测量选用倾斜微压水柱压差计，流的外壁温度。实验采用≯１６ｘｌｍｍ圆管；材料为

量由称重法测量。实验管内胎范围在９０一８０００。Ｂ３０，并以此管为基管，加工成断面如图ｌ所示

②流动驱动压头由自来水提供，压差测量选用水的扁管。管内高度ｈｊ与基管内径Ｄｊ之比ｈ．ｒ／Ｄｉ分

银压差计测量，流量采用精度为Ｏ．５级的涡轮流

别为０．２８６、０．４５和Ｏ．５５７。套管内径为２７ｎｒｌｍ；量计测量。实验管内皿范围在１０４—６×１０４。实验过程中热水的人口温度控制在６０℃，流量控２．３扁管壁温计算

制在１．６ｍ３／ｈ。通过改变管内冷水的流量，以考实验中管内换热系数的计算需要测量换热管察不同管内胎下扁管的传热情况。并对扁管在

的内壁温度，由于管内壁温不易测量，实际测量

套管内水平和竖直２种放置方式的传热情况进行

的是管外壁平均温度，利用管壁导热公式反推得

收稿日期：２００８－０３－１２；修回日期：２００８－０６－３０

贺士晶等：扁管传热与阻力特性的实验研究

１３

到管内壁温度。扁管的传热按２个平板和１个圆筒的传热来计算：

Ｑ＝（华＋嵩卜‰）㈩

式中，Ａ’为平板换热面积，ｍ２；６为换热管壁厚，

ｍ；ｋ为管壁导热系数，ｗ／（ｍ Ｋ）；比为圆管压

扁后所成圆弧的外径，ｍ；盔为圆管压扁后所成圆弧的内径，ｍ；，为实验管长度，ｍ；ｔｗｏ和钿分别为扁管外壁和内壁温度，℃。

由式（１）推导得扁管内壁壁温计算公式：

ｋ＿ｆｗｏ＿瓦向

Ｑ’

６

Ｉｎｄｏ｜ｄＩ

３实验结果与分析

‘

３．１

扁管几何尺寸对传热的影响

实验管的几何尺寸见表ｌ，脚『Ｄｉ的大／Ｊ、表示

圆管被压扁的程度。办ｉ／．Ｄｉ的值越小，基管被压扁的程度就越大。不同ｈｊ的ｌ撑、２撑、３撑扁管与圆管传热性能对比的实验结果如图２和图３所示。实验结果表明，在管内胎相等的情况下，扁管的总传热系数和管内传热系数均高于圆管。其中，＾ｉ／Ｄｉ＝０．２８６的ｌ撑扁管传热效果最好，管内传热系数可以提高到圆管的１．８￣２．４３倍，说明圆管被压扁后管内传热得到明显的强化，较小的ｈｉ／Ｄｉ对提高管内传热系数有利。

表１实验管几何尺寸

管型内：｛ｋ＿／ｍｍ

外径／咖

当最直径ｄｇｍｍ

ｈＪＤｌ

圆管１４１６１４ｌｌ＃扁管１４１６

６．８８５Ｏ．２８６

２＃扁管１４１６

９．８４５０．４５

３样扁管

１４

１６

１１．４２８

Ｏ．５５

管内如的计算公式是：

鼬：盟

’（３）

Ｖ

式中，管内流速ｕｉ为体积流量Ｇ与横断面积彳

之比，ｍ／ｓ；罐为当量直径，盔＝４Ａ／ｘ，ｍ；ｘ为湿

周长度，即过流断面上流体和固体壁面接触的周

界，１１１０

由式（３）可得，Ｒｅ＝４Ｇ／ｘｖ。由于扁管由相同周长的圆管压制而成，即Ｘ不变，所以，圆管与扁管的进口体积流量相同时，胎相等。

■

孚

丫

Ｅ

≥过

如

图２总传热系数与管内艇的关系

Ｆｉｇ．２

Ｔ０ｔ列ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ

ｖ．ｓ．

ＲｅｏｆＣｏｏｌｉｎｇ

Ｗａｔｅｒ

尺ｅ

图３管内传热系数与管内胎的关系

Ｆｉｇ．３

ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ

ｖ．ｓ．

ＲｅｏｆＣｏｏｌｉｎｇ

Ｗａｔｅｒ

一定直径的圆管压制成ｈｉ／Ｄｉ的扁管后，管内体积流量相同时，胎相同。‘但是，由于横断面积和当量直径减小，使管内平均流速得以提高，增大了流体湍动程度，并且流速的提高增强了对流

体边界层的冲刷，所以，有利于传热的强化。ｈｉ／Ｏｉ越小，圆管被压扁的程度越大，横截面积越小，相同体积流量下管内流速越大，对传热的强化效

果越明显，因此，／＇∥Ｄｉ最小的ｌ犏管的换热效果

最好。

同时，圆管压扁后横截面积减小。以１撑扁管

为例，与圆管相比其截面积降低了３７．６％，可见

相同的换热器壳体内，扁管布管数量比圆管多，有效地增加了单位体积内的传热面积。并且由于扁管特殊的几何形状，在管壳内的布置可以更紧凑，大大提高了壳程空间的利用率。

３．２扁管放置方式对传热的影响

扁管在套管内放置方式见图４。从图５和图６可看出，相同传热条件下，扁管竖直放置时的总传热量Ｑ和总传热系数ｋ都大于水平放置，说明扁管竖直放置的传热效果优于水平放置。原因在

１４

核动力工程

Ｖｒ０１．３０．Ｎｏ．２．２００９

水平放置竖直放置

图４扁管放置方式

Ｆｉｇ，４Ｌａｙｏｕｔ

ｏｆＦｌａｔＴｕｂｅ

Ｒｅ

图５总换热量与管内忍的关系

Ｆｉｇ．５

ＴｏｔａｌＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅＱｕａｎｔｉｔｙｖｓ．

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