内肋-光滑组合式圆管内流动沸腾传热特性研究

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管内的流动沸腾传热作为一种高效的传热方式被广泛的应用在制冷空调以及工业散热等领域。为了获得更为高效的传热能力,学者们对管内流动沸腾传热强化方法进行了研究探索,常用方法包括应用管内插入物(扭带、螺旋片、螺旋线圈等)和优化传热管表面(采用内肋结构、波纹表面等)。虽能够强化传热,但同时也会带来流动阻力的增加。因此,有必要进一步优化方法,以获得更好的综合性能。本文提出了将光滑管和内肋管分段组合构成光滑-内肋组合管,旨在提升核化管内核化能力的同时减少流动阻力的提升。基于搭建的适用于不同管型的流动沸腾传热实验台,对比研究了水平光滑管和全肋管、前肋-后光组合管、前光-后肋组合管内的流动沸腾传热和压降特性。论文主要结论如下:(1)光滑管的单相、两相验证实验表明,实验段的有效加热率约为87.86%。其中单相传热系数与Gnielinski关联式的预测结果吻合较好,偏差在±20%范围以内。沸腾传热系数与Yoshida关联式的预测结果吻合良好,其MAE约为8.88%。实验系统呈现较好的可靠性。(2)全肋管的传热面积增加比约为1.57,其传热增强比例(EF)在1.40~2.24之间;组合管(前肋-后光、前光-后肋)的面积增加比相同,均为1.29,但前光-后肋组合管的EF在1.09~1.49之间,而前肋-后光组合管则在1.43~1.78之间。即说明除了传热面积的增加外,螺纹分布形式对于强化传热也有着关键作用。(3)在低热流密度时,全肋管的传热系数受质量流速影响明显,对流沸腾(Convective Boiling)主导管内传热;随着热流密度升高,核沸腾(Nucleate Boiling)逐渐占据主导。前肋-后光组合管在低质量流速时,传热系数随质量流速显著变化,此时管内传热主导机制为对流沸腾。而在前光-后肋组合管内,核沸腾占据主导机制。此外,四种实验管内单位长度摩擦压降随质量流速以及热流密度的增加而增大。(4)在不同的热流密度下,全肋管和前光-后肋组合管的EF均随质量流速的升高逐渐降低,而前肋-后光组合管呈现出增加的趋势。这一规律在EF随热流密度的变化情况中也有所体现。在高热流密度、高质量流速工况下,前肋-后光组合管的EF要高于全肋管以及前光-后肋组合管。此外,三种传热增强管的压降增加比例(PF)均在0.86~1.20之间,三者数值接近,但其中全肋管略大于组合管。(5)低质量流速时,全肋管的综合性能参数(MF)最高,而高质量流速时前肋-后光组合管的MF最高。随着质量流速的增加,前肋-后光组合管的MF会逐渐超越全肋管和前光-后肋组合管,并且超越点处的质量流速会伴随着热流密度的增加而逐渐降低。同时,无论是以相同压降还是相同泵送功率为标准的综合性能评价下,三种传热增强管均能产生正向的传热增强效果,即在传热提升的同时有效抑制了泵送功率以及单位压降的增加。
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