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        板翅式氣-水換熱器傳熱與阻力性能試驗(yàn)研究

        2018-05-29 02:33:28周黛怡楊洪海郭浩吳亞紅張衛(wèi)鋒丁振芳
        關(guān)鍵詞:板翅式翅片雷諾數(shù)

        周黛怡楊洪海*郭浩吳亞紅張衛(wèi)鋒丁振芳

        1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

        2無錫方盛換熱器股份有限公司

        0 引言

        汽液板翅式換熱器常用在工程機(jī)械領(lǐng)域,氣體側(cè)的流動特性在整個換熱過程中起主導(dǎo)作用,換熱器的傳熱系數(shù)主要由氣體側(cè)決定[1]。目前,國內(nèi)研究人員對氣液板翅式換熱器的傳熱和流動阻力性能方面已經(jīng)有過大量研究。在液體側(cè)流量和空氣側(cè)流量對換熱器性能的影響方面,王嬋等人[2]通過熱負(fù)荷裝置研究了水流量對氣-水板翅式換熱器的散熱量,水阻以及進(jìn)出口溫差的影響,擬合出了板翅式氣水換熱器的散熱量、水阻以及水進(jìn)出口溫差與水流量的關(guān)系;李廣甫等人[3]利用低溫空氣循環(huán)制冷速凍試驗(yàn)臺,分析比較了高壓和低壓條件下空氣流量對低溫空氣制冷系統(tǒng)中板翅式換熱器性能的影響,結(jié)果表明低壓側(cè)空氣流量對換熱器的效率影響較大,而高壓側(cè)空氣流量對制冷量的影響較大。此外,還有一些研究人員探討了不同工況下傳熱因子與雷諾數(shù)之間的關(guān)系。張小松[4]等人通過對自行設(shè)計的水—空氣板翅式換熱器進(jìn)行了用作表面式空氣加熱器與表面式空氣冷卻器的實(shí)驗(yàn),得到了空氣側(cè)對流換熱系數(shù)與摩擦系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式。然而,卻鮮有研究人員系統(tǒng)地對試驗(yàn)所得傳熱因子及阻力因子與通用關(guān)聯(lián)式所得傳熱因子及阻力因子進(jìn)行比較并分析其原因。

        本文利用風(fēng)洞試驗(yàn)臺對工程機(jī)械用鋁制板翅式氣-水換熱器進(jìn)行傳熱性能與阻力性能試驗(yàn)研究。為鋁制板翅式氣-水換熱器在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用及選型提供參考依據(jù)。

        1 試驗(yàn)裝置

        試驗(yàn)在風(fēng)洞試驗(yàn)臺上進(jìn)行,整個試驗(yàn)裝置分為試驗(yàn)試件,試驗(yàn)系統(tǒng),測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個部分。試驗(yàn)臺所處的環(huán)境為恒溫環(huán)境,溫度維持在20±0.3%℃。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的壓力恒定為一個大氣壓(101.325 kPa)。試驗(yàn)中熱介質(zhì)為65%℃的熱水,冷介質(zhì)為20%℃的空氣。

        1.1 試驗(yàn)試件

        試驗(yàn)試件是一種鋁制板翅式換熱器,如圖1(a)。其中換熱器芯體的冷空氣側(cè)為波紋型翅片,如圖1(b),熱水側(cè)為鋸齒翅片,如圖1(c),試驗(yàn)試件的具體型號及翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。

        圖1 試驗(yàn)試件及翅片結(jié)構(gòu)示意圖

        表1 板翅式換熱器的型號

        表2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)

        1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

        試驗(yàn)系統(tǒng)分為風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)。其中風(fēng)系統(tǒng)主要由整流器,風(fēng)管,均流器,風(fēng)機(jī)以及變頻器組成,如圖2所示。風(fēng)系統(tǒng)中進(jìn)口空氣的溫度控制在20±0.3%℃,空氣流量的變化通過調(diào)節(jié)變頻器來實(shí)現(xiàn)。水系統(tǒng)主要由水箱、加熱器、水泵等組成,水箱中的水溫由192 kW的加熱器控制在 65±0.3%℃,水的流量控制在100 L/min。

        圖2 風(fēng)系統(tǒng)示意圖

        1.3 測量系統(tǒng)

        1)空氣、水進(jìn)出口溫度。水系統(tǒng)中的溫度傳感器采用PT100鉑電阻在板翅式換熱器芯體進(jìn)出口管道上測量,精度為B級。試驗(yàn)過程中控制水的溫度恒定為65±0.3℃。冷空氣的進(jìn)出口溫度采用PT100溫度變送器在換熱器前后進(jìn)出風(fēng)口測量。

        2)空氣、水的流量。采用渦輪流量計測量水體積流量,渦輪流量計的精度為0.25%。冷空氣的流量采用噴嘴組合測量,試驗(yàn)過程中,保持水的體積流量恒定為100 L/min。

        3)試件前后的壓差。在試件前后的風(fēng)道上開設(shè)靜壓測孔,靜壓孔連接成環(huán)狀。水系統(tǒng)試件前后的壓差采用壓差傳感器在芯體的進(jìn)出口管道上測量,精度為0.5%。

        1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        整個試驗(yàn)過程中所有傳感器測量信號采集是由智能數(shù)據(jù)采集模塊來完成并與計算機(jī)連接,完成數(shù)據(jù)的記錄和儲存。在保證水流量,水和空氣的進(jìn)口溫度以及進(jìn)口壓力不變的前提下,通過改變變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對空氣流量的調(diào)節(jié)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是在工況穩(wěn)定后進(jìn)行的,每次工況穩(wěn)定時間約為15 min。

        2 數(shù)據(jù)處理

        2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算步驟

        2.1.1 傳熱因子j 的計算

        傳熱因子由式(1)和(2)計算

        式中:G為空氣側(cè)質(zhì)量流量,k g/(m2s);Pr為普朗特數(shù);St為斯坦頓數(shù);α為換熱系數(shù);C為空氣比熱容。

        實(shí)驗(yàn)中先通過下述公式計算空氣側(cè)傳熱系數(shù),繼而通過迭代計算得到傳熱因子j。

        空氣側(cè)換熱量:

        水側(cè)換熱量:

        熱平衡誤差,本試驗(yàn)熱平衡誤差Δ <5%,所測數(shù)據(jù)有效。

        平均換熱量:

        總傳熱系數(shù):

        傳熱過程熱阻:

        式中:Qa為空氣側(cè)換熱量,kW;Cpa為空氣的比熱容,kJ/(kg·℃);ma為空氣的質(zhì)量流量,kg/s;ΔTa為空氣側(cè)進(jìn)出口溫差;Qw為水側(cè)換熱量,kW;Cpw為水的比熱容,kJ/(kg·℃);mw為水的質(zhì)量流量,kg/s;ΔTw為水側(cè)進(jìn)出口溫差;Ao,w為水側(cè)的總傳熱面積,m2;Ao,a為空氣側(cè)的總傳熱面積,m2;ηw為蒸汽側(cè)翅片表面效率;ηa為空氣側(cè)翅片表面效率,由 于空氣側(cè)ηa為換熱系數(shù)的函數(shù),ηa=f(α),故 需采用迭代計算才能計算出空氣側(cè)換熱系數(shù),由此得到翅片傳熱因子j。

        2.1.2 阻力因子f的計算

        試驗(yàn)中,試驗(yàn)元件的阻力主要由以下幾部分組成:換熱器入口,出口以及換熱器中心部分阻力。在冷態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)下測得空氣流經(jīng)試件后的壓力降 Δp,由范寧公式[5-6]計算得到阻力因子f值

        式中:Δp為實(shí)驗(yàn)測得空氣流經(jīng)翅片后的壓力降,kPa;ρ為實(shí)驗(yàn)中空氣流經(jīng)試件進(jìn)出口平均溫度下的密度,kg/m3;De為測試試件空氣側(cè)翅片的當(dāng)量直徑,m;Le為測試試件空氣側(cè)流道長度,m;u為進(jìn)入翅片前空氣流速,m /s。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

        基于前人的研究,關(guān)于波紋翅片性能經(jīng)驗(yàn)式目前研究尚少。Sheik and Velraj[7]通過數(shù)值計算得到了波紋翅片的通用關(guān)聯(lián)式,如式(9)-(12)所示。

        在100≤Re≤800時

        在1000≤Re≤15000時

        圖3所示是由通用關(guān)聯(lián)式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的傳熱因子的對比,可以看出:在整個測試工況的雷諾數(shù)范圍內(nèi)(0≤Re≤800),兩者隨雷諾數(shù)的變化趨勢一致,均隨著雷諾數(shù)的增加呈指數(shù)形式下降。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯高于通用關(guān)聯(lián)式(高出20%~40%左右),隨著雷諾數(shù)的增大,兩者偏差有逐漸減小的趨勢。是由于通用關(guān)聯(lián)式適用的翅片尺寸范圍較廣,針對具體一種翅片尺寸,不能保證其精度。為了更好地服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計及工程應(yīng)用,需要在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上修正通用關(guān)聯(lián)式。

        圖3 傳熱因子隨雷諾數(shù)變化趨勢

        圖4 所示為經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)驗(yàn)得到的阻力因子的對比,可以看出:在 0≤Re<500 的范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯高于經(jīng)驗(yàn)值(高出 2%~52%左右),隨著雷諾數(shù)的增大,兩者的偏差逐漸減小。在 500<Re≤800 的范圍內(nèi),經(jīng)驗(yàn)值高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果(高出 2%~34%左右)且隨著雷諾數(shù)的增大,兩者的偏差逐漸增大。產(chǎn)生偏差的原因如上傳熱因子所述。因此,對于本文研究的波紋型翅片通過實(shí)驗(yàn)得到低雷諾數(shù)下(0≤Re≤800),j因子、f因子的擬合關(guān)系式:

        圖4 阻力因子隨雷諾數(shù)變化趨勢

        4 結(jié)論

        本文利用風(fēng)洞試驗(yàn)臺對某工程機(jī)械用板翅式氣 -水換熱器進(jìn)行傳熱性能與阻力性能試驗(yàn)研究,并與通用關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較。試驗(yàn)表明,針對某種特定的翅片驗(yàn)證了通用公式并得到結(jié)論:由通用關(guān)聯(lián)式和試驗(yàn)結(jié)果計算得到的傳熱因子相對偏差隨著雷諾數(shù)的增大而減小。阻力因子的相對偏差呈現(xiàn)先減小后增大并逐漸穩(wěn)定的趨勢。通過實(shí)驗(yàn),對于本文所述的鋁制板翅式換熱器,修正了通用關(guān)聯(lián)式使得計算結(jié)果更準(zhǔn)確,為今后鋁制板翅式換熱器在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用及選型提供有效參考。

        [1]張小松,周樂平.板翅式換熱器的散熱性能研究[J].流體機(jī)械, 1999,(8):307-311.

        [2]王嬋,冷明全,盧志敏,等.板翅式換熱器的散熱性能研究[J].廣東化工,2014,(1):143-155.

        [3]李廣甫,郭憲民,張中芳.低溫空氣制冷系統(tǒng)中板翅換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo),2013,(6):72-74.

        [4]陳沛霖,岳孝芳.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

        [5]張衛(wèi)星.板翅式換熱器的性能分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

        [6]楊志.空分用板翅式換熱器波紋翅片傳熱與阻力性能理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州: 浙江工業(yè)大學(xué),2013.

        [7]L Sheik,R Velraj.Studied on Fanning friction and Colburn facto- rs of offset and wavy fins compact plate fin heat exchanger-A CFD approach[J].Numerical Heat Transfer:Part A,2009,56:987 -1005.

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