螺旋槽管性能评价准则.pdf

第 23 卷第 2 期 宋 蕊，等：螺旋槽管性能评价准则 209 文章编号：1671-6612（2012）02-205-04 螺旋槽管性能评价准则 宋 蕊 崔晓钰 王晓占（上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093）【摘 要】螺旋槽管对强化管的强化换热性能影响有换热和流动两个方面，为了综合评价螺旋槽管的性能，结合前人的研究成果推导出了螺旋槽管的性能评价准则，得出了螺旋槽管的性能系数（PEC），并应用评价准则对两组螺旋槽管进行了性能分析。【关键词】螺旋槽管；性能评价准则；槽深和螺距 中图分类号 TK124 文献标识码 A Performance Evaluation Criteria of Spirally Fluted Tubes Song Rui Cui Xiaoyu Wang Xiaozhan(College of Energy&Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093)【Abstract】Spirally fluted tubes impact the heat transfer performance of strengthen tubes on heat exchange and flow aspects.In order to evaluate the performance of spirally fluted tubes,this paper deduces the performance evaluation criteria of spirally fluted tubes based on previous research findings and applies the performance evaluation criteria to evaluate the performance of two groups spirally fluted tubes.【Keywords】Spirally fluted tube;performance evaluation criteria;height of the tube ridge and helical pitch 作者简介：宋蕊（1988-），女，在读硕士研究生，E-mail： 通讯作者：崔晓钰（1967-），女，博士，教授，E-mail： 收稿日期：2011-06-01 0 引言 螺旋槽管亦称螺旋槽纹管，是一种优良的双面强化换热管，对管内单相流体的换热过程有着显著的强化作用1。特别是现今节能与环保的问题日益突出2，如何提高同轴换热器的换热效率，减少能量传递过程的不可逆损失，更合理和有效地利用能源3，成为了一个非常重要的课题。螺旋槽管分为螺旋槽管直管及盘旋螺旋管，其实物图如图 1 所示。学者对其换热机理比较一致的看法是：一方面由于螺旋槽的引导作用加强了径向扰动；另一方面，发生了绕流脱体，形成回流区，在再附点处换热最强，同时由于流体的旋转和脱体使得摩擦阻力增大4。当换热加强时摩擦阻力系数也随之升高5，换热性能的提升有利于减少热传递过程的火用损因此有利于减少对高品位能的消耗，但是摩擦阻力系数提升的同时也增加泵功率，从而增大了能量损失。流体在管内的流动很复杂，评价其性能需综合考虑流动阻力与换热特性两方面7，本文在前人的基础上考虑管内流动和传热两方面推导了螺旋槽管的性能评价准则，得出了管的性能系数（PEC），并根据评价准则对比两组螺旋槽管直管和盘旋螺旋管的性能，分析槽深和螺距对螺旋槽管性能的影响7,8。图 1 盘旋螺旋管与螺旋槽管直管实物图 Fig.1 Pictures of coiled spirally fluted tubes and straight spirally fluted tubes 1 螺旋槽管结构参数 螺旋槽管分为单头螺旋槽管及多头螺旋槽管，第 26 卷第 2 期 2012 年 4 月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.26 No.2 Apr.2012.205208206 制冷与空调 2012 年 多头螺旋槽管一般有四头、六头及八头，图 2 为四头、六头及八头螺旋槽管的实物截面图。图 3 给出了单头螺旋槽管的截面结构示意图，螺旋槽管几何特征包括：内径 di、槽深 e 及螺距 p。图 2 多头螺旋槽管实物截面图 Fig.2 Sectional view of multiple-spiral fluted tubes 图 3 螺旋槽管结构示意图 Fig.3 Structure schematic diagram of spirally fluted tubes 很多文献认为 e/di、p/di 是影响螺旋槽管换热性能的主要参数。通过对实验数据的分析认为p/di=0.50.75，e/di0.054 的单头螺旋槽管传热效果最好。对于六头螺旋槽管而言，流体在流经一个周期或螺距过程中要经历 6 道凸起，而在任意截面上也分布有 6 个凸起，所以本文采用 e/Ndi 和 p/Ndi 作为多头螺旋槽管的特征参数。本文选择了两组共 18 个不同槽深及螺距的六头螺旋槽管直管与盘旋螺旋管，采用评价准则分析它们的性能，得出不同槽深及螺距对螺旋槽管流动及换热性能的影响，所选不同螺旋槽管直管及盘管的编号及参数如表 1、表 2 所示。表 1 螺旋槽管直管的编号及参数 Table 1 The numbers and parameters of straight spirally fluted tubes 编号 e/Ndi p/Ndi 槽深 e（mm）螺距 p（mm）内径 di（mm）计算长度（mm）1 0.03 0.2944 5 50 28.3 1050 2 0.03 0.4122 5 70 28.3 1050 3 0.03 0.59 5 100 28.3 1050 4 0.02 0.2944 3.4 50 28.3 1050 5 0.02 0.4122 3.4 70 28.3 1050 6 0.02 0.6184 3.4 105 28.3 1050 7 0.01 0.206 1.7 35 28.3 1050 8 0.01 0.4122 1.7 70 28.3 1050 9 0.01 0.6184 1.7 105 28.3 1050 表 2 盘旋螺旋管的编号及参数 Table 2 The numbers and parameters of coiled spirally fluted tubes 编号 e/Ndi p/Ndi槽深 e（mm）螺距 p（mm）内径 di（mm）计算长度（mm）100.03 0.29445 50 28.3 691 110.03 0.41225 70 28.3 691 120.030.595 100 28.3 691 130.02 0.29443.4 50 28.3 691 140.02 0.41223.4 70 28.3 691 150.02 0.61843.4 105 28.3 691 160.010.2061.7 35 28.3 691 170.01 0.41221.7 70 28.3 691 180.01 0.61841.7 105 28.3 691 2 螺旋槽管性能评价准则 强化换热最早的评价标准是 Nu/Nu0，此时研究的重点为表面传热系数的提高。而后又发现摩擦阻力系数会随表面传热系数的提升而快速增加，于是提出()/()00NufNuf作为评价强化换热的准则，并以其值是否大于 1 作为强化换热效果好坏的评价标准，显然这是不合适的。对于强化换热热管，在低雷诺数下可以获得较高的换热系数，仍具有较好强化换热效果。故 Webb9基于前人的研究提出了一套 比 较 完 整 的 性 能 评 价 标 准（Performance Evaluation Criteria，PEC）。强化换热的目的分为三种：增大热负荷、降低功率消耗及减少换热面积。Webb 的三个评价标准的叙述如下：相同换热面积和泵功率下，强化元件与光管的换热量之比 Q/Q0；相同换热量和泵功率下，强化元件与光管的换热面积之比 F/F0；相同换热量和换热面积下，强化元件与光管的泵功率之比。本文基于 Webb 提出的性能评价标准及以下假设对三种评价标准的数学表示进行了推导。2.1 Q/Q0评价标准 假设强化换热管与光管具有相同的换热面积F、压力损失P 及对数温差Tm。由0DLDLF，得0LL 泵功率：pAvNp根据泵功率相同得：DLvvADLvAvf02000222 第 23 卷第 2 期 宋 蕊，等：螺旋槽管性能评价准则 207 所以：303300)ReRe(vvff （1）对于光管湍流摩擦阻力系数采用 Blasius 公式：25.0010Re cf （2）设在相同 Reynolds 数下强化管与光管的摩擦阻力系数之比：Re0)(ff 那么：cffRe0)(所以：25.000)Re(eRff （3）将公式（3）带入（1）得：75.20)ReRe(即：3636.00ReRe （4）换热器的换热量：mThFQ，mTFhQ00 所以：000NuNuhhQQ 光管管内湍流换热公式：8.0020RecNu （5）设在相同 Reynolds 数下强化管与光管的Nuseelt 数之比：Re0)(NuNu 那么：8.02RecNu 所以：8.0000)ReRe(NuNuQQ （6）将公式（4）带入公式（6），得：29.00QQ （7）公式（7）即为螺旋槽管强化传热判断准则，若该式对应的值大于 1 则说明在相同换热面积和泵功率消耗的情况下螺旋槽管较光管的性能要好，且此值越大螺旋槽管性能越佳。2.2 F/F0评价标准 在传热量和泵功率相同的情况下，强化管与光管换热面积之比F/F0评价标准推导过程如下：根据换热量相同，得：mmTDLhTDLhQ00 因此：LLhhNuNu000 （8）根据泵功率相同得：DLvfvADLvAvf020000222 所以：0303300)ReRe(LLvvff 将上式带入公式（3）得：3636.003636.00)(ReReLL （9）强化管与光管面积之比：00LLFF （10）将公式（6）、（8）带入（10）得：71.029.00)(FF （11）公式（11）即为F/F0评价标准，当该式小于 1或29.01 时说明完成相同换热量且消耗的泵功率不变的情况下螺旋槽管较光管需要较少的换热面积，且此值越小或29.0越大螺旋槽管需要的面积就越少。2.3 Np/N0P评价标准 在换热量Q及换热面积F情况下分析强化换热管与光管的压降比 P/P0，理论推导过程如下：根据泵功率DLvAvfNP22，得强化管与光管功率之比：3003000)ReRe()(ffvvffNNPP （12）根据mmTFhThF0，得：0NuNu 根据公式（10）得：25.10ReRe （13）将公式（5）及（13）带入（12）得：44.329.044.30)(pp （14）公式（14）即为螺旋槽管的N/N0评价标准，当该式小于1 或29.01 时说明在相同换热量和换热面积的情况下螺旋槽管消耗的泵功率较光管要小，且此值越小或29.0越大槽管消耗的泵功率越小。比较公式（7）、（11）及（14）发现，在上述三式中均含有因子29.0且当该因子值大于 1 时说明螺旋槽管的性能优于光管，因此可将29.0作为评价螺旋槽管性能的准则。用 PEC（Performance Evaluation Criteria）表示螺旋槽管的性能评价准则，称之为管的性能系数，那么：29.0PEC（15）公式（15）不仅适用于螺旋槽管，也适用于其它强化管。208 制冷与空调 2012 年 3 各管性能系数比较 图4 槽深5mm 时螺旋槽管直管和盘旋螺旋管性能系数比较 Fig.4 Comparation between straight spirally fluted tubes and coiled spirally fluted tubes when e=5mm 图5 槽深3.4mm 螺旋槽管直管和盘旋螺旋管性能系数比较 Fig.5 Comparation between straight spirally fluted tubes and coiled spirally fluted tubes when e=3.4mm 图6 槽深1.7mm 螺旋槽管直管和盘旋螺旋管性能系数比较 Fig.6 Comparation between straight spirally fluted tubes and coiled spirally fluted tubes when e=1.7mm 图 4 给出了槽深e=5mm时螺旋槽管直管和盘旋螺旋管性能系数随 Reynolds 数的变化，由图得对于管 1、2、3 在槽深相同的情况下螺距越大性能系数越小，这是因为随着螺距的减小直管换热面积随之增大。而对于管 10、11、12 在槽深相同的情况下螺距越大性能系数反而越大，这是因为盘旋螺旋管摩擦阻力随螺距的减小而增大。图 5 给出了槽深e=3.4mm 时盘旋螺旋管和螺旋槽管直管对应的性能系数随 Reynolds 数的变化。由图可知：当 Re9.4104时，盘旋螺旋管性能系数随螺距的增大而增大，螺距p=50mm和p=70mm时盘旋螺旋管的性能系数均大于直管。图 6 给出了槽深e=1.7mm 时，盘旋螺旋管和螺旋槽管直管对应的性能系数随 Reynolds 数的变化。与图 4 及图 5 相比最大的特征是当槽深e=1.7mm 时盘旋螺旋管的性能系数不再占优势，当螺距p=50 时直管对应的性能系数要大于盘旋螺旋管。对于盘旋螺旋管而言，性能系数随螺距的增大依然增大。4 结论（1）基于前人的研究成果推导了螺旋槽管性能评价准则，得出29.0PEC为评价螺旋槽管的性能系数，当该式大于 1 时认为螺旋槽管是节能的，否则性能较差。（2）槽深e=5mm 和e=3.4mm 时相同槽深和螺距的大多数盘旋螺旋管对应的性能系数大于螺旋槽管直管；槽深e=1.7mm 时，相同槽深螺距的螺旋槽管直管对应的性能系数均大于盘旋螺旋管。参考文献：1 王泽宁,周强泰.螺旋槽管管内换热与阻力试验研究J.中国电机工程学报,1996,16(1):59-62.2 张龙爱,任承钦,丁杰,等.CFD 方法与间接蒸发冷却换热器的三维数值模拟J.制冷与空调,2005,19(4):14-19.3 熊高鹏,欧阳新萍.强化管内流动沸腾换热研究现状J.制冷与空调,2005,19(3):75-78,81.4 金安,帅志明.螺旋槽管阻力与换热特性研究J.化工学报,1997,48(4):512-516.5 张华,周强泰.螺旋槽管强化管内换热试验研究J.发电设备,2003,(4):24-27.6 崔海亭,袁修干.螺旋槽管综合性能的研究J.石油化工设备技术,2001,22(5):6-8.7 于文艳,黄渭堂.单头螺旋槽管的强化换热研究J.内蒙古工业大学学报,2005,25(4):301-304.8 王丽芝.螺旋槽管强化传热研究与应用D.山东:山东大学,2005.9 Webb R L,Eckert E R C.Application of rough surfaces to heat exchanger designJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,1972,15(9):1647-1658.