管壁厚度对平行流换热器性能的影响

ｔ ｉｋ ｅ ｓ Ｒｅｎ ｍｂ ｒ Ｎｕ ｎ ｍｂ ｒ ｈｃ ｎ ｓ ； ｕ ｅ； ｕ ｅ
平行 流换 热器 中扁管 的 当量 直径 尺寸 范 围一 般 为 １ （ｆ （） ｍ～ １ ｍｍ， ） 而微 通 道 的 尺 寸 界 定 为 １ ｆ ｍ￣ ｌｍｍ， 以 平 行 流 换 热 器 属 于微 通 道 换 热 所
实 验 结 果 表 明 流 动规 律 与 常 规 理 论 相 符 ， 故
基 于连续 介质 假设 的 连续性 方程 、 量方 程 、 ｖ— 能 Ｎａ ｉ ｅ—ｔｋ ｓ ｒ ｏ ｅ 方程 ， 于上述 矩形 通 道均 成 立 ， 流 向 Ｓ 对 层
模 型所采 用 的结构参数及 实验条件 ， 以文 献 Ｅ３ 的 矩 形 微 通 道 实 验 为 依 据 ， 形 微 通 道 长 ５中 矩
第 １卷 １
第 ３期
剖
痔
室 湖
３ ２ ８ ４
２０ １１年 ６ 月
ＲＥＦ ＧＥＲＡＴＩ ＲＩ ＯＮ ＡＮＤ Ｒ —Ｃ ＡＩ ０ＮＤ１ ０ＮＩ Ｔ１ ＮＧ
管壁 厚 度 对 平 行 流 换 热器 性 能 的影 响
刘巍
摘 要
朱春 玲
（ 南京 航空 航天 大学 ）
根 据 已有 的 实 验数 据 ， 立 扁管 的 （ 量 直 径 为 ０ １９ １ ９ ３ｒｍ） 维 数 值 模 型 ， 析 平 行 流 换 建 当 ．９ ～ ． ２ ａ 三 分
热 的影 响 。
平行 流 换 热 器 与 常 规 换 热 器 有 很 多 相 似 之
收 稿 日期 ：０ ｛Ｉ－９ ２ Ｉ一１２ ｝
热的本质 。为 了弄清平行 流换热器扁 管内的流动 和换 热原 理 ， 究扁 管 内的单 相流 动和换 热 。 研
作 者简介 ： 刘巍 ， 在读博士研究生 ， 主要从事 飞行器环境控制方面的研究 。
微 通 道实 验为 基础 ， 用 数 值 模 拟 的 方 法 ， 析 影 采 分
wk.baidu.com
响平行 流换 热 器扁 管 内换热 规律 的因素 。
１ 数 学物 理模 型
图 １ 通 道 换 热 段 原 理 图
上 述 模 型 中 ， 电偶 所 在 的位 置 与 内壁 有 一 热
１１ 物理 模 型和几 何参 数 ．
处， 但也 有其 自身 的特 点 ： 加 工 工 艺及 自身 强 度 受
的限制 ， 由于通 道 尺 寸 小 ， 管 壁 不 能 太 薄 ， 致 故 导 管壁 厚度 和 通 道 尺 寸 相 当 ； 平 行 流 换 热 器 管 内 且 流动 以层 流 为 主 。 因此 ， 在研 究 平 行 流 换 热 器 的 过程 中 ， 管壁 的 轴 向 导 热及 沿 壁 厚 方 向 的 内外 壁
ｗｉｈ ｌｒ ｅＲｅｎ ｍ ｂ ｒ（ ＝８ １ ６ ，ｕ ｉｇ ｔ ｅｏ ｔｗａｌ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｄ ｓ ｌｃ ｎ ｅ ｌ ｔ ａ ｇ ｕ ｅ Ｒｅ ６ ） ｓｎ ｈ ｕ — ｌ ｔｍ ｅａ ｕ ｅｔ ｉｐａ ｅｉ ｎ ｒｗａｌ
ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｄ ｈ ｕ ｎ ｍ ｂ ｒｔ ｅ ｒ ａ ｅ ｎ ｈ ｘ ｍ ｕ ｅ ｒ ｒｏ ｅ ５ ｐ ｒ ｅ ｔ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｌａ ｓ ｔ ｅ Ｎ ｕ ｅ ｏ ｄ ｃ ｅ ｓ ，ａ ｄ ｔ ｅｍａ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｒ５ ｅ ｃ ｎ ．Ｓ
关键词 平 行 流换 热 器 ； 制对 流换 热 ； 面厚 度 ； 数 ； 强 壁 Ｒｅ Ｎｕ数
Ｅｆ ｅ ｔｏ ｌ ｔ ｃ ｅ ｓ ｏ ｕ ｅ Ｏｌｐ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｆ ｐ ｒ ｌｅ — ｌ ｗ ｆ ｃ ｆｗａ ｌ ｈｉｋｎ ｓ ｆ ｔ ｂ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ａ ａ ｌ ｌｆｏ
第 ３期
刘巍 等 ： 管壁厚度对平行 流换 热器性能 的影 响
早 期 的微通 道 实 验 研 究 Ｅ］ 为 ， 通 道 内 的 ４认 － ５ 微 单 相 流 动 与 换 热 规 律 均 不 同 于 常 规 通 道 。Ｎ．
２ ）流体 平均 温度 计算 公式
Ｔｆ Ｔｉ＋ （ ｕ 一 ＝ Ｔｏ ） ７ － （） ２
ＡＢ Ｔ Ｓ ＲＡＣＴ Ｆ ｕ ｄ ｈ ｅ ｉ ｅ ｓｏ ａ ｕ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ｅ ｕ ｖ ｔ ｎ ｉ ｍ ｅ ｅ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｎ １ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌｔｏ ｄ ｌ（ ｑ ｉ ａ ｅ ｔｄ ａ ｔ ｒ
ｆｏ ０ １ ９ｍ ｍ ｏ １ ９ ３ｍｍ ）ｏ ｈ ｌｔｔ ｂ ｃ ｏ ｄｎ ｏｅ ｉｔ ｇ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｄ ｔ ．Ａｎ ｒ ｍ ． ９ ｔ ． ２ ｆ ｅｆａ ｕ ｅａ ｃ ｒ ｉｇｔ ｘ ｓｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ａａ ｔ ｎ ａ ｌｚ ｓｔ ｅｅ ｆｃｓｏ ｈ ｘａ ｅ ｔｃ ｎ ｕ ｔ ｎｏ ｈ ｌ ｏ ｕ ｅａ ｄ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉｆｒ ｎ ｅ ｙ ｅ ｈ ｆｅ ｔ ｆ ｅａ ｉｌ ａ ｏ ｄ ｃｉ ｎ ｔ ｅｗａｌ ｆ ｂ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅｄｆｅｅ ｃ ｔ ｈ ｏ ｔ ｂ ｔ ｅ ｈ ｎ ｅ－ ｌ ａ ｄ ｏ ｔｗａｌｏ ｏ ｖ ｃｉｅｈ ａ ｒｎ ｆｒｉ ａ ａｌｌ ｌｗ ｙ ｅｈ ａ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅｉ ｎ ｒｗａｌ ｎ ｕ— ｌ ｎ ｃ ｎ ｅ ｔｖ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｎ ｐ ｒ ｌ — ｏ ｔ ｐ ｅ ｔ ｅｆ ｅｃａｇ ｒ ｘ ｈ ｎ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｗｉ ｍ ａ１ ｕ ｂ ｒ（ ｅｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｔ ｓ ｌ Ｒｅｎ ｍ ｅ Ｒｅ＝ １ ５ ，ａ ｉｌ ｅ ｔｃ ｎ ｕ ｔ ｎ ｈ ） ｘａ ａ ｏ ｄ ｃｉ ８ ｈ ｏ
上 ， 用热 流密 度 的加热 方式 ， 流 密度 均 为 ｑ 采 热 （ ／ｍ２・ ） 以模 拟 电子 设备 的散 热 ， 在 通 道 ｗ （ Ｋ） ， 加 上 下表 面上 发热 源 的 电功 率 均 为 Ｐ（ ） ｗ 。实验 中 用来 测 量 内壁 中心 温 度 的热 电 偶 ， １中 以 ＴＣ 图 （＝１２３ ４表 示 ， 放 在 与 通 道 上 下 两 表 面 平 ，， ，） 安 行 ， 距 离 内壁 下 表 面 １ｍｍ 处 的平 面 的 中 心 线 且 上， 相互 间 隔 １５ｃ 其 中第一 个热 电偶 沿 方 向 ． ｍ，
ｔ ｅｗａｌｔ ｉｋ ｅ ｓｏ ｕ ｅｃ ｎ ｎ ｔｂ ｅ ｌｃｅ ． ｈ ｌ ｈ ｃ ｎ ｓ ｆｔ ｂ ａ ｏ ｅｎ ｇｅ ｔｄ
ＫＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ ｐ ｒ ｌ ｌ ｌ ｗ ｙ ｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ： ｏ ｃ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔｖ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ａ ａ ｌ ～ ｏ ｔ ｐ ｅ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｒ ｆ ｒ ｅ ｏ ｖ ｃ ｉ ｅ ｅ ｔ ｔ ａ ｓ ｅ ：ｗａ ｌ ｅ ｆ ｌ
器 。微通 道换 热器 具有 体 积 小 、 量 轻 ， 位 体 积 质 单 内传 热面 积 大 等 优 点 ， 近 年来 换 热 器 发 展 的趋 是 势 。关 于平 行 流换 热 器 的研 究 ， 多 是 侧 重 于换 大 热器 的换 热 性 能 ， 对 扁 管 内 的 流 动 与 换 热 机 制 并 研究 甚少 ， 且 在 对 管 内流 动 与 换 热 进 行 计 算 和 并
Ｌ＝６ ２ｍｍ， ｂ＝２ 宽 ５ｍｍ， ｅ ． 高 ＝０ １ｍｍ， 当量 直
径ｄ Ｈ＝０ １９ｍｍ。外 壁 尺 寸 为 Ｌ×Ｗ ×Ｈ ＝６ ． ９ ２
ｍｍｘ２ ． ×８ １ｍｍ， ５ ２ｍｍ ． 通道 外表 面 与外界 环境 绝 热 。原理 图如 图 １所 示 ， 微 通 道 上 下 ２个 面 在
矗 ｌ Ｌ
式 中 ： ｗ为通 道壁 面 内表面 温度 （ 。 丁 Ｋ） ４ ）Ｎｕ数计 算式
Ｎ税 ：
／ Ｚｆ
（ ３ ）
（） ４
实 验结论 不 同 的 原 因 ， ． ． ｅｇ等 ［ ］ 考 虑 实 Ｘ Ｆ Ｐｎ ４在 ＿ 验件 的管 内流动及 换 热方 面都 存在 不 足 ， Ｃ ｎｙ Ｎ． ａ ｅ 等 ＿ 除 了粗糙 度 对 管 内流 动 的 影 响 ， 温 度 测 ６消 。 在 量方 面 有 待 改 进 。Ｚ ｉ ａ ｇＬｕ等 研 究 人 员 ｌ １ ｈ— ｎ ｉ Ｇ ＿］ ８
热器 中管壁的轴向导热及扁管的 内外壁温差对换热 的影 响程度 。结果 表明 ： ｅ数较低时 （ ｅ ８ ） 忽略 Ｒ Ｒ ＝１５ ， 管壁 的轴 向导热对 Ｎｕ数 的影响很大 ， Ｎｕ 使 数值偏小 ， 偏差最高达 ５ 以上 ； ｅ ０ Ｒ 数较高时（ ｅ ６ ）用 Ｒ ＝８１ ６ ， 扁管 的外壁温度代替内壁温度 ， 同样 也会使 Ｎｕ 值偏小 ， 数 偏差 高达 ５ 以上 。故平 行流换热器 中管壁厚 ５ 度对换热 的影响不能忽略。
式 中 ： 和 丁ｕ 别 为 通 道 内流 体 进 、 口温 度 ０分 出
（ 。 Ｋ）
３ 流 换热 系数 计算式 ）对
原 理与 常 规 通 道 一 致 的结 论 。近 年 来 有 研 究 ＿ ８ 表 明 ， 通道 内流动 和 换 热 原 理 与 常规 通 道 一 致 。 微
由于实验 装 置 和 实 验 方 法 不 同 ， 响实 验 结 果 的 影 因 素也不 尽 相 同 。 除 去 测 量 误 差 的 影 响 ， 结 各 总
温差 对换 热 器 性 能 的影 响不 能 忽 视 ， 管 内 的 流 扁 动 和换热 规律 有别 于常规 通道 。 相 比于 复 杂 的 管 内两 相 流 ， 相 流 动更 有 规 单 律可 循 ， 响 因素少 ， 更 好 地 反 映 管 内流 动 与 换 影 能
建模时 ］对模型做 出的假设 中， ， 均忽略了轴 向导
在 探讨 流 动 规 律 方 面 消 除 了粗 糙 度 的 影 响 ， 测 在
式 中 ：ｆ ｋ 为流 体导 热 系数 （ ／ｍ ・ ） Ｗ （ Ｋ） 。
量温 度方 面 消除 了 由于 管 壁 产 生 的 轴 向导 热 及 内
外 壁 面 的温差 影 响 。
Ｐ ｚｅ ｏ等 ［研 究 的矩形 微 通 道 当量 直 径 ｕｈｎＧａ ７ ］ 范 围为 ０ １９ １ ９ ３ｍｍ， 平 行 流 换 热 器 的 当 ．９ ～ ． ２ 与 量 直 径范 围相 符 。经 过 分 析 ， 现 实 验 中没 有 考 发 虑 管壁 的轴 向导 热及 内外 壁 面 的 温 差 。笔 者 以此
定距离 ， 所测温度高 于内壁温度 ； 用公式 （ ） 算 ２计 沿 ｚ轴方向上流 体的平均温度 ， 略了管壁轴 向 忽 导 热 的影 响 。实 验 中 ， 果 把 热 电偶 测 量 值 当 作 如 内壁 温度 ， 式 （ ） 公 ２ 的计 算 值 当 做 流 体 平 均 温 度 ， 会 使 Ｎｕ数 的实验 值偏 小 。
ｌａ ｓＮ “ ｎ ｍ ｂ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｅ ａ ｐ ｒ ｎ ｌ ｎ ｋ ｈ ｘ ｍｕ ｅ ｒ ｒ ｏ ｅ （ ｅ ｃ ｎ ： ｅｄ ｕ ｅ ｏ ｄ ｃ ｅ ｓ ｐ ａ ｅ ｔｙ ａ ｄ ｍａ ｅ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｒ ５）ｐ ｒ ｅ ｔ
ｔ ｐ ｅ ｔｅ ｃ ｎ ｅ ｙ ｅ ｈ ａ ｘ ｈａ ｇ ｒ
Ｌｉ ｅ Ｚ ｕ Ｃｈ ｎ ｉ ｇ ｕＷ ｉ ｈ ｕ ｌ ｎ
（ ｎｉｇ Ｕｎｖｒｉ ｆ ｒ ｎ ｕｉｓ ｎ ｔ ｎ ｕｉ ） Ｎａｊ ｉｅｓ ｙｏ ｏ ａ ｔ ｄＡｓｒ ａ ｔ ｓ ｎ ｔ Ａｅ ｃａ ｏ ｃ
Ｃ ｎｙ等 ］ ａｅ 对微 通道单相 对流 与换热进行 了研
究， 发现 流动 规律 符 合 常 规 通道 关 联 式 ， 换 热 规 但 律 不 同于常 规通 道 。Ｎ． ａ ｅ Ｃ ｎｙ等＿ 通 过数 值 模 拟 ｌ ６
方法 ， 消除 了温度 测 量 方 面 的不 足 ， 而得 出换 热 进