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随着人们对降低建筑能耗的重视,建筑内冷热源设备的节能环保问题成为研究重点,为提升核心换热设备的能效水平而开发的多头内螺纹管,因其优异的强化换热性能而被广泛研究与应用。而多头内螺纹管内单相流动与换热问题尚待明确,大大限制了这一技术的发展与推广应用。本文以乙二醇水溶液为工质,针对水平多头内螺纹管内单相流动与换热问题,设计并建立水平多头内螺纹管内单相流动与换热试验系统,实验获取在不同流态和不同热边界下的流动阻力和换热系数,并根据试验结果建立适用于多头内螺纹管设计开发紧凑式换热器的流动阻力和换热系数的计算关联式。首先,为试验求解多头内螺纹管内表面对流换热系数,研究了等热流边界下双侧强化管表面温度的测试方法,探究了强化管外表面直接布置热电偶获取温度场的试验操作与可行性;其次,试验研究了绝热和等热流加热边界下多头内螺纹管内单相流动阻力特性,并在前人与本文实验结果的理论分析基础上建立了不同流态下的阻力系数半经验模型。结果表明:1)多头内螺纹管的单相流动阻力系数高于光管,湍流区的阻力系数达到极大值之前的变化趋势与尼古拉兹实验获得的均匀粗糙管的实验结果的变化趋势显著不同,且无法通过既有的多头螺纹管经验模型准确描述;2)等热流加热工况下流动入口段对阻力系数的影响在-3.5%-0.32%以内,可以忽略不计;3)建立的绝热边界下层流区的半经验模型,在110<Re<2060范围内,其预测值与实验结果的相对偏差在-10.3%-9.4%;建立的等热流加热边界层流区半经验模型,在450<Re<2580范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-30.2%-71.1%;建立的绝热边界过渡区的半经验模型,在1900<Re<19900范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-36.1%-41.2%;建立的等热流加热边界过渡区的半经验模型,在2400<Re<15100范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-19.6%-66.9%;建立的旺盛湍流区半经验模型在8600<Re<97600范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-36.0%-56.9%。第三,试验研究了在等热流边界条件下多头螺纹管内对流换热特性,并结合前人与本文获得的实验结果的理论分析,建立了不同流态下管内的对流换热准则的半经验模型。结果表明:1)层流区,浮力所致的二次流为试验管内对流换热的主导因素,致使等热流加热边界条件下的努谢尔特准则数(Nu)达到其理论值的(Nu=4.36)的4.2-7.6倍;2)紊流区,多头内螺纹结构换热强化主要在于诱导近壁处流体产生旋流,增强二次流强度,使得对换热影响大的壁面附近的流体对流换热得到较大改善;3)等热流边界下,热入口段对实验用多头内螺纹管内对流换热的影响在4%以内,工程计算中,其影响可以忽略;4)建立的层流区的半经验模型,在450<Re<2580范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-21.3%-22.8%;建立的旺盛湍流区半经验模型,在8600<Re<31100范围内,其预测值与实验结果的相对偏差范围为-23.8%-22.1%。第四,试验研究了热边界条件对多头螺纹管内单相流动与换热特性的影响。结果表明:1)在层流和过渡流区,阻力系数受热边界条件的影响较大,等热流加热与绝热边界条件下的阻力系数差异在-5.8%-15.8%;2)多头内螺纹结构诱发的二次流增加了热流体的流动稳定性,致使由层流向湍流转变的临界雷诺数出现滞后,进而使过渡流区间缩短。在湍流区,热边界条件下对阻力系数的影响范围在0-15.8%。最后,结合四种评价准则评估了应用多头内螺纹管来替代光管的技术经济性。结果表明:在层流工况,应用多头内螺纹管来替代光管,所有评价准则得出的结果在1.0上下波动,优势效益不明显;光管的流动雷诺数大于4000时,多头内螺纹管替代相应的光管,总能取得初投资(或运行费用)上的收益。本文的研究成果可解决使用多头内螺纹管(0.12mm<e<1.3mm,4.54mm<di<23.78mm,17.5°<β<60°,8<Ns<82)设计开发紧凑型换热器面临的热工设计问题,同时对进一步完善多头内螺纹管内流动与换热理论具有参考价值。