CN115290693B - 一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，包括如下步骤：测量管内工质、管外空气、对流换热环境的物理参数；计算管内侧定性参数T_f、P_f；根据管内定性参数，计算管内侧工质的物性参数；计算管内流通面积A_fmedium和管外总传热面积A_hair；计算管内流速V_medium及雷诺数Re_medium；根据Dittus‑Boelter经验关系式，计算管内对流换热系数h_in；根据空气和工质的进出口温度，计算对数传热温差ΔT_lm；＝在热平衡时计算空气换热量Q₂、管内工质换热量Q₁、换热量Q；基于管外总传热面积，计算总传热系数K；根据管内外传热平衡方程，计算求得管外空气侧对流换热系数h_out。本发明将对流换热系数的测量转化为对热阻的求解；在理论和实际中均具备较高可行性。

Description

一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法

技术领域

本发明属于高效紧凑换热器换热技术领域，具体地说，涉及一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法。

背景技术

对流换热系数是反映热交换系统能力强弱的直观参数体现，是介质本身传输性质和流动形式的综合体现。随着航空发动机的发展，涡轮前温度和推重比不断提高，这就对冷却能力提出了更高要求，由此引入了高效紧凑的微小尺度换热器。但是目前常用的经验公式多适用于较大管径，用于微细管外对流换热系数计算与真实值相差较大。因此准确获取微细换热管外对流换热系数对于实际工程的前期热管理分析具有重要作用。

测量对流换热系数的方法主要有稳态法和瞬态法，稳态法原理简单、操作简便，但实验周期长；瞬态法周期短、误差小，但实验设备复杂。虽然前人采用双工质测量管外对流换热系数，但是多基于管内换热系数公式已知的假设条件；或假定管内对流换热系数恒定，采用威尔逊图解法求解，上述方法往往存在假设条件不成立，试验误差较大的问题。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法。为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，包括如下步骤：

步骤1，测量管内工质、管外空气的物理参数，确定对流换热环境的物理参数；

步骤2，根据管内工质的物理参数，计算管内侧定性参数T_f、P_f；

步骤3，根据管内定性参数，计算管内侧工质的物性参数；

步骤4，计算管内流通面积A_fmedium和管外总传热面积A_hair；

步骤5，计算管内流速V_medium及雷诺数Re_medium；

步骤6，根据Dittus-Boelter经验关系式，计算管内对流换热系数h_in；

步骤7，根据空气和工质的进出口温度，计算对数传热温差ΔT_lm；

步骤8，由能量平衡可知，在热平衡时能够得到空气换热量Q₂、管内工质换热量Q₁、换热量Q；

步骤9，基于管外总传热面积，计算总传热系数K；

步骤10，根据管内外传热平衡方程，计算求得管外空气侧对流换热系数h_out：

进一步地，所述步骤1中管内工质物理参数包括工质流量工质进口温度T_in,medium、工质出口温度T_out,medium，管外空气物理参数包括空气流量/>空气进口平均温度T_in,air、空气出口平均温度T_out,air，对流换热环境的物理参数包括微细管束管内外直径D和d、横向管排数N_T、进水管排数N_I、纵向管排数N_L、换热管高度H、横向管间距s₁和纵向管间距s₂。

进一步地，所述步骤2中管内侧定性参数T_fmedium、P_fmedium的公式为

其中，T_f,medium表示定性温度，P_f,medium表示定性压力。

进一步地，所述步骤3中物性参数公式为

[ρ_medium,λ_medium,η_medium,C_p,medium,Pr_medium]＝f(T_f,medium,p_f,medium)

其中，ρ_medium表示密度，λ_medium表示导热系数，η_medium表示动力粘度，C_pmedium表示定压比热，Pr_medium表示普朗特数。

进一步地，所述步骤4中内流通面积、管外换热面积的计算公式为

进一步地，所述步骤5中管内流速、雷诺数的公式为

进一步地，所述步骤6中管内对流换热系数h_in的计算公式为

进一步地，所述步骤7中对数传热温差计算公式为

进一步地，所述热平衡时换热量的计算公式为

进一步地，所述计算总传热系数的计算公式为

其中为传热系数修正因子。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明是基于两种工质在达到热平衡条件下，将对流换热系数的测量转化为对热阻的求解，属于原理简单、操作简便的稳态法。本发明试验设备简单、操作便捷，实验结果误差较小；在理论和实际中均具备较高可行性，为后续微细管束外对流换热系数测量提供指导方法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明三维结构模型示意图；

图2是本发明直接测量物理量分布示意图；

图3是本发明计算误差传递流程示意图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，如图1模型所示，管内工质加热管外空气，两者达到热平衡时，通过测量微细管束内外侧工质的热力参数，结合能量平衡和传热方程确定整个传热过程的总热阻，其中导热热阻理论公式计算给出，管内热阻公式由经验公式计算给出，管外热阻为代求项。步骤如下：

步骤1，测量管内工质、管外空气的物理参数，确定对流换热环境的物理参数；直接测量物理量包括：

管内工质侧：工质流量工质进口温度T_in,medium，工质出口温度T_out,medium；

管外空气侧：空气流量空气进口平均温度T_in,air，空气出口平均温度T_out,air；

测量微细管束管内径d和外径D，横向管排数N_T，进水管排数N_I，纵向管排数N_L，换热管高度H，横向管间距s₁和纵向管间距s₂，如图2所示。

步骤2，根据管内工质的物理参数，计算管内侧定性参数T_fmediu、P_fmedium：

其中，T_f,medium表示定性温度，P_f,medium表示定性压力，其中下标的f可由in或out代替，分别表示进或出的定性温度、进或出的定性压力。

步骤3，根据管内定性参数，计算管内侧工质的物性参数，公式如下：

[ρ_medium,λ_medium,η_medium,C_p,medium,Pr_medium]＝f(T_f,medium,p_f,medium)

其中，ρ_medium表示密度，λ_medium表示导热系数，η_medium表示动力粘度，C_pmedium表示定压比热，Pr_medium表示普朗特数。

步骤4，计算管内流通面积A_fmedium和管外总传热面积A_hair，计算公式如下：

步骤5，计算管内流速V_medium及雷诺数Re_medium：

步骤6，根据Dittus-Boelter经验关系式，计算管内对流换热系数h_in：

步骤7，根据空气和工质的进出口温度，计算对数传热温差ΔT_lm；＝

步骤8，由能量平衡可知，在热平衡时能够得到空气换热量Q₂、管内工质换热量Q₁、换热量Q，计算公式如下：

其中，C_pmedium表示工质的定压比热，C_pair表示换热空气的定压比热。

步骤9，基于管外总传热面积，计算总传热系数K；

其中为传热系数修正因子；

步骤10，根据管内外传热平衡方程，计算求得管外空气侧对流换热系数h_out：

当管内外工质达到热平衡时，由上述公式计算管外对流换热系数h_out的最大误差为6.5％。

由上述公式可见，管外对流换热系数的测量精度，直接取决于直接测量物理量的测量精度，以及管内侧和总的对流换热系数的精度。上述公式中表示的字母含义均为本领域人员熟知的。在现有的技术水平下，空气和水的温度、压力及流量测量均具有较高的精度，而需要重点分析的是管内对流换热经验关系式的精度带来的误差大小。

按照附图3中误差传递过程，计算各部分误差：

(1)测量误差Er(T)、/>Er(D)、Er(d)，这些误差均由测量仪器误差限定；

(2)根据换热量Q的计算公式求Q的误差：

(3)根据总传热系数K的计算公式求K的误差：

(4)根据工程经验，Dittus-Boelter经验关系式与真实值的最大偏差为30％，由此h_in的误差取30％；

(5)根据管外对流换热系数h_out的计算公式求h_out的误差：

实施例一

如图1至图3所示，本实施例所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法。为验证本方法的可行性，计算分析小尺度管束外换热不同工况下的各项物理量及误差，选取其中的最大误差计算管外对流换热系数的最大偏差。

根据微细管束外换热的常用雷诺数范围，并充分考虑测量方法的可操作性，给出如下基本参数条件，计算分析在基本试验条件下，空气侧对流换热系数的测量误差及方案可行性。

本方案管内工质为水，管外为空气，常压状态，管内外具体数据如下：

管内工质侧：工质流量工质进口温度90℃，工质出口温度T_out,medium；

管外空气侧：空气流量空气进口平均温度20℃，空气出口平均温度T_out,air；

测量微细管束管内径d＝1.1mm、外径D＝1.5mm，横向管排数N_T＝10，进水管排数N_I，纵向管排数N_L，换热管高度H＝150mm；

管内雷诺数为5000，管外雷诺数考虑1000和4000两种情况。

纵向管排数考虑2、3、4、6、8、12、16、20的9种情形，管排以顺排方式布置，每一纵列做成单根蛇管。不同排数会有不同的结果，下面给出的计算结果是所有计算结果中误差最大的可能。

根据发明内容中各换热物理量的计算公式，通过matlab迭代求解得到各工况下的各项参数值，根据误差公式及误差传递过程计算出各项误差。

计算结果：在所有工况内，

水温降低温度：ΔT_water＝4.7K-41.7K，最大误差：maxEr(ΔT_water)＝9.7％；

空气温升高温度：ΔT_air＝5.7K-47.6K，最大误差：maxEr(ΔT_air)＝4.9％；

对数平均温差：ΔT_lm＝33.8K-62.6K，最大误差：maxEr(ΔT_lm)＝0.9％。

根据误差传递计算得到换热量Q的最大误差maxEr(Q)＝5.5％，总传热系数K的最大误差maxEr(K)＝5.8％，所以管外对流换热系数h_out的最大误差maxEr(h_out)＝6.5％。通过误差分析，论证采用本方法的最大误差，在可接受的范围内，因此本发明提出的基于双工质的测量微细管外换热系数方法误差满足工程计算要求。

本发明的试验设备包括换热腔体、若干均布的微细管、循环水系统、供气系统，供气系统与换热腔体连接，使得换热腔内形成空气流，若干微细管与空气流的流动方向垂直设置。循环水系统的两端分别与微细管的两端连通，使得微细管内通有循环水。微细管内水的流动方向与空气流的流动方向呈垂直设置，空气流与微细管的外侧壁接触，并在微细管之间流动，能够与管内的水进行充分的热交换。可选用市面上常见水泵、水箱及加热器组成循环水系统；管外为空气，可选用市面常见的离心风机等设备满足试验供气条件；此外，本方法所需的温度、压力及流量测量均在常见测量设备的使用范围内，可便捷选择高精度的热电阻、压力传感器及热式流量计作为测量设备，完成直接测量物理量测量。进行测量的设备与过程均为现有技术，在此只是作为测量应用，没有技术上的改进，在此不再赘述其具体结构与工作原理。

综上所述，本方法在理论和实际方便均具备较高可行性，为后续微细管束外对流换热系数测量提供指导方法。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (7)

1.一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，测量管内工质、管外空气的物理参数，确定对流换热环境的物理参数；

其中，管内工质物理参数包括工质流量工质进口温度T_in,medium、工质出口温度T_out,medium，管外空气物理参数包括空气流量/>空气进口平均温度T_in,air、空气出口平均温度T_out,air，对流换热环境的物理参数包括微细管束管内外直径D和d、横向管排数N_T、进水管排数N_I、纵向管排数N_L、换热管高度H、横向管间距s₁和纵向管间距s₂；

步骤2，根据管内工质的物理参数，计算管内侧定性参数T_f,medium、P_f,medium，计算公式为：

其中，T_f,medium表示定性温度，P_f,medium表示定性压力，P_in,medium表示进口定性压力，P_out,medium表示出口定性压力；

步骤3，根据管内定性参数，计算管内侧工质的物性参数，计算公式为：

[ρ_medium,λ_medium,η_medium,C_p,medium,Pr_medium]＝f(T_f,medium,p_f,medium)

其中，ρ_medium表示密度，λ_medium表示导热系数，η_medium表示动力粘度，C_pmedium表示定压比热，Pr_medium表示普朗特数；

步骤4，计算管内流通面积A_fmedium和管外总传热面积A_hair；

步骤5，计算管内流速V_medium及雷诺数Re_medium；

步骤6，根据Dittus-Boelter经验关系式，计算管内对流换热系数h_in；

步骤7，根据空气和工质的进出口温度，计算对数传热温差ΔT_lm；

步骤8，由能量平衡可知，在热平衡时能够得到空气换热量Q₂、管内工质换热量Q₁、换热量Q；

步骤9，基于管外总传热面积，计算总传热系数K；

步骤10，根据管内外传热平衡方程，计算求得管外空气侧对流换热系数h_out：

其中，λ为管壁的导热系数。

2.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述步骤4中内流通面积、管外换热面积的计算公式为

3.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述步骤5中管内流速V_medium、雷诺数Re_medium的公式为

4.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述步骤6中管内的努塞尔数Nu_medium和对流换热系数h_in的计算公式为

5.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述步骤7中对数传热温差ΔT_lm计算公式为

6.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述热平衡时换热量Q的计算公式为

7.根据权利要求1所述的一种改进的基于双工质的微细管外对流换热系数测量方法，其特征在于：所述计算总传热系数K的计算公式为

其中为传热系数修正因子。