李敏霞;余文芳;孙晗;代宝民;党超镔
【摘 要】An experiment was performed to study the heat transfer characteristics of liquid flow through two multi-port extruded (MPE) micro-tubes with water, ethanol, acetone and ethanol/water mixtures. The cross-section geometries of two tubes were rectangular (approximate square) and circular, and with hydraulic diameters of 0.72 and 0.86 mm respectively. The results showed that at Reynolds number (Re) below 500, Nusselt number (Nu) decreased with increasing heat flux butNu approached a minimum for increasing heat flux atRe> 500. Experimental results showed that such change was caused by the effect of entrance function and conjugate heat transfer. The experimentalNu of the circular multi-tube was higher than that of rectangular multi-tube. For ethanol, pressure drop decreased dramatically with increasing thermal resistance beginning at a low thermal resistance. Additionally, the higher the inlet temperature, the smaller the slope of pressure drop decrease against thermal resistanc. Further investigations of water, ethanol and acetone w
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ere conducted.Nuof ethanol were highest and thoseof water were the lowest among three solutions with the same heat flux and inlet temperature. Experiments of rectangular multi-tube, with different mixing ratios of ethanol/water showed that the trend ofNu againstRe remained unchanged at low ethanol concentration. Furthermore, the higher the ethanol concentration, the faster the growth rate ofNu againstReand the greater theNu difference between adjacent concentrations. Theoretical reasons for this remains to be further studied.%对水力直径分别为0.72 mm的矩形扁材多孔管和0.86 mm的圆形扁材多孔管中单相流体换热特性以及流动压降进行了实验研究。流体Re 小于500时，随着热通量的增大，Nu减小；随着Re的增大，热通量对Nu的影响减小，Nu趋于一致。实验结果显示，这些变化是由于入口段效应和共轭效应相互制约的结果。圆形扁材多孔管的Nu高于矩形扁材多孔管的Nu。对于乙醇溶液，低热阻时，入口温度越高，压降随热阻的增大降低的斜率越小，随着热阻值的增大，压降降低速率减小趋于平缓。对水、酒精和丙酮进行了单相对流换热的研究。通过比较发现，3种流体的换热特性并不相同，而且差别很大。在同一热通量和入口温度条件下，相同Re，乙醇的Nu最大，丙酮次之，水的Nu最小。同时测试了不同乙醇浓度水溶液的换热特性，发现随着乙醇浓度的增大，溶液的Nu由基本保持不三噻吩
变到随着Re的增大而增大，并且乙醇浓度越大相邻浓度间的Nu差别越大，出现以上现象的理论原因还有待进一步的研究。
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2014(000)012
【总页数】8页(P4726-4733)
【作 者】李敏霞;余文芳;孙晗;代宝民;党超镔
【作者单位】天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学机械工程学院，天津 300072;天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学机械工程学院，天津 300072;北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124;天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津大学机械工程学院，天津 300072;东京大学新领创成科学研究科人间环境专业，日本 277-8563
【正文语种】中 文
【中图分类】TK124
随着科学技术水平和制造技术的迅速发展，微型换热器广泛应用于各种机械设备的冷却。微小通道的应用可以使换热器达到较高的传热系数、体积与表面积比，以及较小的换热阻力。对于微通道内流体流动和换热特性的研究有助于微型换热器的设计。Tuckerman 等[1]研究发现微通道内水的强制对流换热可以达到很高的对流传热系数，之后国内外学者对微通道换热特性进行了广泛的研究，很多学者观察到微型换热器呈现出与常规尺度换热器不同的换热特性和物理现象[2-3]，根据已经发表的文献资料可以看出，很多学者的研究结果与传统理论不一致，目前对于微通道换热特性的影响因素还没有得出一致结论[4]。
Peng等[5]研究了去离子水在不锈钢微型槽道内的流动与换热特性，实验结果表明流动与传热的实验结果严重偏离了传统理论的计算值，其认为是由于通道形状和水力直径的影响。Agostini等[6]对R134a在多孔扁管中的单相流动与换热进行了实验研究，结果与常规通道的传统理论吻合较好。Rahman等[7-8]进行了工质为水的梯形（宽1 mm，高79～325 μm）单孔和多孔微通道的强制对流研究，提供整体平均和局部的换热数据。他们发现与传
统理论的预测结果相比，层流区的Nu高于经典理论值，而紊流区的Nu值则低于传统理论值。Gui等[9]再次分析了Rahman 等的实验数据，结果显示在层流区与理论结果吻合，而在紊流区则较分散。周继军等[10]对微槽道中水的单相流动阻力与传热特性进行了实验研究。结果表明与常规通道的理论相比存在明显差异，摩擦系数高于传统理论计算值，传热系数则明显小于传统理论的计算值。蒋洁等[11]研究了去离子水在矩形小通道中的传热特性，实验结果表示，由于微尺度效应工质流量较小时Nu低于传统理论计算值，随着流量增加，Nu增大且大于常规通道理论值。
虽然国内外很多学者对微尺度换热器方面进行了研究，但是对于多孔扁管中的单相流动换热特性仍需要进一步研究[12]。因此，本文对乙醇、水、丙酮以及乙醇和水混合物在水力直径为0.72 mm的矩形扁材多孔管、水力直径为0.86 mm的圆形扁材多孔管中的单相传热特性和流动压降进行了实验研究，实验测试点Re＜1500，传统理论认为位于层流区[13]范围，以求对该领域进行进一步的分析和探讨。
1.1 实验系统介绍
实验回路如图1所示，主要由磁力齿轮泵、科里奥流量计、实验段、差压传感器、储液器、
恒温水槽及过滤器等组成。实验工质流程为：从磁力齿轮泵流出的工质经过科里奥流量计后水平进入实验段，经交流电加热后流出，进入储液器，在恒温水槽冷却维持恒定温度，经过滤器回到工质泵入口，形成闭式循环回路。
实验段如图2所示，矩形扁材多孔管有16个平行的矩形通道，水力直径为0.72 mm（0.63 mm× 0.74 mm） [图2 (a)]，圆形扁材多孔管有15个平行的圆形通道，直径为0.86 mm [图2 (b)]。两种多孔管都是由铝合金经过挤压制造而成，铝合金圆管焊接到多孔管两侧，以保证工质均匀分配到每个通道。热电偶测点的布置如图所示，沿管长方向共设置12个测量截面，每个测量截面上下分别对称布置2个T型热电偶测点，共48个温度测点。使用耐高温绝缘胶布将热电偶紧贴到扁管表面，热电偶线径为0.13 mm。在实验段进出口安装差压传感器以测量实验管段的压降。实验段的上下表面分别贴有电加热膜以实现对扁管的恒热流加热，加热膜与测试段管道等长[图2 (c)]。通过改变电加热膜的电压调节加热功率，加热功率由功率仪进行测量。实验工质为乙醇、水、丙酮及乙醇和水混合物。整个实验系统用厚度大于40 mm 的保温棉进行保温。系统工况稳定后，进行数据采集。
美国俄亥俄州由于铝材扁管的电阻值非常小，采用直流电进行加热时，电流非常大，接近1000 A，因此
机械毕业设计论坛未使用直流电源，采用了交流电源进行加热，功率测量采用功率表，精度为±0.1%。同时进行了热平衡实验，在热通量大于3 kW·m−2的情况下，热平衡误差小于5%，在热通量为3 kW·m−2时，热平衡误差小于7%。
1.2 实验数据处理
加热的热通量qh由加热功率和多孔扁管的湿周及加热长度确定民革党员什么意思
式中，Qh是电加热的加热功率，Wp是多孔扁管的湿周长，L是扁管加热长度。
沿扁管长z位置处的流体温度为
式中，Tf是流体温度，Tf,in为入口温度，G为质量流速，Af为换热面积，cp为比定压热容，z为轴向位置。
局部对流传热系数h(z)及局部Nu(z)由式(3)、式(4)进行计算
式中，Tw(z)是z位置处壁面温度，Tf(z)是z位置处流体温度，λl(z)为流体的热导率
通道固体壁面轴向导热与流体对流换热的比值，即量纲1 Maranzana数[14]为
式中，kw是金属热导率，kf是流体热导率，Aw是通道截面固体壁面积，Af是通道流体流动的润湿面积（实验中即通道流体流动截面积）。
误差分析采用误差传递的方法进行计算，具体数值见表1。
2.1 乙醇传热特性与压降
2.1.1 乙醇的传热特性 图3、图4分别为乙醇在矩形扁材多孔管和圆形扁材多孔管中，不同热通量下局部Nu的示意图。实验入口温度Tin为25℃，热通量为3、6、9 kW·m−2。
从图3中可以看出在入口段处Nu沿轴向迅速降低，在充分发展段Nu基本保持不变，并且热通量越大，在相同的轴向位置处Nu越小。在相同的轴向位置，相似的工况条件下矩形的局部Nu要小于圆形的局部Nu。
由图4可以看出当Re在1500附近时，两种管型的局部Nu的变化趋势与低Re时基本相同，但是不同热通量对局部Nu的影响不大，在相同的轴向位置处，不同热通量对应的局部Nu基本相同，接近充分发展的层流Nu，矩形通道为3.62[15]，圆形通道为4.36[16]。相同轴向位置z处圆形扁材多孔管的局部Nu大于矩形扁材多孔管。
对比图3、图4可以看出，Re在1500附近时，在实验段入口处，入口段效应[17]对局部Nu的影响更明显，沿轴向z局部Nu的变化更剧烈。随着Re的增加，局部Nu随之增大；对比传统理论值可以看出，低Re时，实验结果低于传统理论值；Re在1500附近时，局部Nu接近传统理论值。
图5为乙醇在矩形扁材多孔管和圆形扁材多孔管中，不同热通量下平均Nu随Re变化的示意图。实验段入口温度Tin为25℃，热通量为3、6、9 kW·m−2。当Re＜500时，Nu随热通量的增大而减小；当Re＞500时，不同热通量下Nu趋于一致；矩形扁材多孔管中Nu随Re的变化趋势一致。圆形扁材多孔管也有类似的情况。
图6为不同热通量下，M随Re的变化曲线，从两种管型的M图中可以看出，相同的工况条件下，矩形的M要大于圆形的M，并且在相同的Re下，热通量越大，两种管型的M越大，即轴向导热量与流体对流换热量的比值越大，轴向导热效应对换热的影响越大，因此在同一轴向位置处，热通量越大该处的局部Nu越小。随着Re增加M趋于一致，轴向导热共轭传热效应对对流换热的影响可以忽略。因此认为在小Re时，由于轴向导热共轭传热效应造成了Nu小于单相流体充分发展段的层流Nu。在图5 (a)中Re＜500时，轴向导热共轭传热效应[1
8]占了主导。由图6可以看出Re＞500时M趋于一致，且数值较小，轴向导热共轭传热效应对对流换热的影响可以忽略。图4中可以看出在充分发展段，局部Nu接近传统理论值，由于入口段效应的影响入口段处局部Nu高于充分发展段处，且随着Re增大，入口段效应越明显，使得平均Nu逐渐增大，偏离传统理论值。
2.1.2 乙醇流动压降与换热热阻的比较分析 图7为矩形和圆形扁材多孔管在加热热通量为6 kW·m−2，入口温度分别为5、15、25、35和45℃的条件下的压降随对流换热热阻的变化关系。从图中可以看到，相同热阻条件下，矩形扁材多孔管的压降高于圆形扁材多孔管；并且随着对流换热热阻的增大，压降逐渐减小，在热阻较大时，压降随热阻的变化斜率平缓。当热阻较小时，随着入口温度的增加，实验管段的压降出现明显的下降，入口温度为45℃时，变化曲线在R=0.0010 m2·℃·W−1附近发生改变，这是由于流体的温度越高黏度越低，压降随流体黏度的减小而减小；当热阻较大时，压降随热阻的变化趋于平稳主要原因是轴向导热效应导致计算的传热系数小于实际值，与Rosa等[19]的结论相同。
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