以潤(rùn)滑油為工質(zhì)，采用正交原理試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)高粘度流體在叉排列三維內(nèi)肋管中的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:離散的三維內(nèi)肋結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)高粘度流體在較低的雷諾數(shù)下完成從層流向湍流的轉(zhuǎn)變。說明在高粘度流體的換熱問題中，采用三維內(nèi)肋管可以有效促進(jìn)流態(tài)轉(zhuǎn)變，并因此獲得明顯的傳熱強(qiáng)化效果;對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行多元線性回歸，獲得了三維內(nèi)肋管中高粘度流體在層流區(qū)的流阻和換熱準(zhǔn)則方程式;根據(jù)Webb定義的熱力性能系數(shù)，作為強(qiáng)化傳熱性能的判斷指標(biāo)，得到了性能最優(yōu)的三維肋結(jié)構(gòu)組合，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指出了方向。

1、前言

　　潤(rùn)滑油冷卻器不僅是熱力發(fā)電廠的重要配套設(shè)備，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品等行業(yè)的生產(chǎn)過程中。然而油類物質(zhì)具有粘度高、Pr數(shù)值大的特點(diǎn)，使換熱過程具有較大的熱阻和較低的對(duì)流換熱系數(shù)，是造成這類換熱器體積龐大和輸運(yùn)泵功能耗高的直接原因。尤其在高粘度，小流量情形下，管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)的提高總是很有限的。因此成為制約油冷卻器整體換熱性能的薄弱環(huán)節(jié)，所以強(qiáng)化高粘度流體在小流量條件下管內(nèi)流動(dòng)換熱十分必要。以往的研究表明，采用改變傳熱表面結(jié)構(gòu)來進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，是提高潤(rùn)滑油冷卻器的換熱效率、減小其尺寸與運(yùn)行成本的有效手段。與常見的平片，螺旋片等二維連續(xù)肋片不同，真空技術(shù)網(wǎng)( http://m.healwit.com.cn/)認(rèn)為三維內(nèi)肋具有離散肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是用專用機(jī)床對(duì)管材冷加工而成。具有易于制造，結(jié)垢少等優(yōu)點(diǎn)。廖強(qiáng)等的研究表明:由于能夠有效的促進(jìn)湍流的發(fā)生并擴(kuò)展管內(nèi)換熱面積，與連續(xù)肋相比，離散的三維肋更易于導(dǎo)致流體產(chǎn)生回流，橫向二次流以及漩渦等，對(duì)于強(qiáng)化水，空氣，乙二醇與水混合物等工質(zhì)的對(duì)流換熱效果顯著。吳雙應(yīng)等采用透平油，對(duì)加扭帶的三維內(nèi)肋管的流動(dòng)和換熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)三維內(nèi)肋管還適合高粘度流體在層流區(qū)的對(duì)流換熱。但是目前仍然缺乏從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā)，針對(duì)三維內(nèi)肋管對(duì)熱阻較大的高粘度流體進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的研究。本文采用正交原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，使用新鮮的潤(rùn)滑油為工質(zhì)，對(duì)高粘度流體在叉排列三維內(nèi)肋管中的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步探求高粘度流體在三維內(nèi)肋管中流動(dòng)充分發(fā)展的層流區(qū)的換熱強(qiáng)化的肋形結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

　　叉排列三維內(nèi)肋管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:管內(nèi)徑Di，肋高H，周向肋寬B，軸向肋間距Pt。試驗(yàn)管以紫銅為材料，長(zhǎng)度1000mm。

圖1 叉排列三維內(nèi)肋管結(jié)構(gòu)示意

　　試驗(yàn)裝置原理如圖2所示。試驗(yàn)裝置由潤(rùn)滑油箱、齒輪油泵、三維內(nèi)肋管、輔助電加熱器、冷油器等組成。潤(rùn)滑油自潤(rùn)滑油箱經(jīng)齒輪油泵升壓后分為兩路，一路進(jìn)入試驗(yàn)管段，一路進(jìn)入旁通回路，通過兩路的閥門調(diào)節(jié)，可以改變?cè)囼?yàn)管段的流量。1000mm的試驗(yàn)管段外表面均勻纏繞4×0.2mm的扁形電阻絲獲得恒熱流密度的熱邊界條件。電阻絲外套石棉玻纖管用以與試驗(yàn)管壁面電絕緣。電阻絲兩端電壓由調(diào)壓器控制，試驗(yàn)管段的加熱功率由調(diào)壓器調(diào)節(jié)，電壓和電流測(cè)量采用數(shù)字式萬用表。試驗(yàn)段的管壁溫度分別由沿軸向和周向均勻布置的3對(duì)Φ2mm銅-康銅熱電偶測(cè)得。工質(zhì)進(jìn)出口溫度分別由2對(duì)插入試驗(yàn)段入口和出口的銅-康銅熱電偶測(cè)量。試驗(yàn)管段的前端設(shè)置650mm入口段，用以保證試驗(yàn)管段的流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展。試驗(yàn)前先用恒溫水箱對(duì)熱電偶進(jìn)行校驗(yàn)標(biāo)定以保證測(cè)量精度。試驗(yàn)段的進(jìn)出口壓差由U型水銀壓差計(jì)測(cè)得。工質(zhì)流量采用直接稱重法測(cè)量。

圖2 試驗(yàn)裝置原理

　　采用同步增加加熱功率和流體流量的方式來調(diào)節(jié)換熱試驗(yàn)工況。待工況穩(wěn)定后采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前先使用光管進(jìn)行流阻和換熱試驗(yàn)。并將結(jié)果在層流區(qū)分別與經(jīng)典公式進(jìn)行比較。結(jié)果表明，試驗(yàn)裝置所測(cè)量的流動(dòng)阻力的不確定度為±10%，傳熱系數(shù)的不確定度為±12%。

5、結(jié)論

　　(1)叉排列三維內(nèi)肋管可以顯著的促進(jìn)高粘度流體強(qiáng)化傳熱。由于從層流向湍流轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折雷諾數(shù)較低，可以在較低的流速下，使得高粘度流體達(dá)到換熱系數(shù)較高的湍流區(qū);

　　(2)對(duì)于高粘性流體，叉排列三維內(nèi)肋管在層流區(qū)也具有明顯的強(qiáng)化傳熱效果，強(qiáng)化傳熱的肋形結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向是:增加相對(duì)肋寬，增加軸向間距并選取適當(dāng)?shù)睦吒摺?/p>