析濕工況下泡沫金屬內(nèi)濕空氣傳熱傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究

許旭東，胡海濤，楊懷毅，翁曉敏，莊大偉，丁國(guó)良

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

析濕工況下泡沫金屬內(nèi)濕空氣傳熱傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究

許旭東，胡海濤*，楊懷毅，翁曉敏，莊大偉，丁國(guó)良

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

實(shí)驗(yàn)研究了濕空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)析濕過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性，得出了不同因素的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著入口空氣相對(duì)濕度、溫度和速度的增加，總換熱量增加，且空氣溫度的影響比較明顯；當(dāng)入口空氣溫度由25 ℃增大到35 ℃時(shí)，換熱量最大可增加82%；隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大。與同體積的開(kāi)窗翅片管式換熱器相比，析濕工況下泡沫金屬換熱器內(nèi)的濕空氣換熱量提高40%～112%。1

泡沫金屬；濕空氣；析濕；換熱；壓降

0 引言

泡沫金屬是一種高孔隙率的多孔介質(zhì)（圖1），具有高熱導(dǎo)率、復(fù)雜擾流空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，將其嵌入流道內(nèi)，可以提高單相流體的換熱性能[1-4]。將泡沫金屬應(yīng)用于換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的翅片，可以強(qiáng)化空氣側(cè)的換熱特性、提高換熱器性能[5]。但泡沫金屬用于析濕工況時(shí)，由于泡沫金屬纖維彎曲、傾斜且相互連接，析濕產(chǎn)生的凝結(jié)水附著在泡沫金屬纖維上，會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)液滴在泡沫金屬內(nèi)累積的現(xiàn)象[6]，從而影響換熱器的換熱和壓降。因此，為了對(duì)泡沫金屬換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要研究濕空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)析濕過(guò)程的換熱與壓降特性。

圖1 泡沫金屬照片

已有文獻(xiàn)研究了干空氣在泡沫金屬內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的換熱特性，研究結(jié)果表明泡沫金屬的強(qiáng)化傳熱效果明顯優(yōu)于翅片[7-10]，泡沫金屬換熱器的換熱系數(shù)最高為翅片管換熱器的（3～4）倍[5,11-12]。目前尚無(wú)關(guān)于析濕工況下泡沫金屬內(nèi)空氣流動(dòng)換熱與壓降特性的研究報(bào)道，本文將針對(duì)析濕工況下泡沫金屬內(nèi)濕空氣傳熱傳質(zhì)特性開(kāi)展研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試對(duì)象

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括空氣側(cè)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。泡沫金屬換熱器空氣側(cè)特性研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示。測(cè)試對(duì)象為泡沫銅樣件，其孔密度為15 PPI，孔隙率為85%，通過(guò)銅基焊料在真空高溫爐內(nèi)與銅板焊接，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，空壓機(jī)出來(lái)的具有一定壓力的空氣和加熱水箱中產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)，在混合腔內(nèi)混合，保證在測(cè)試段入口處達(dá)到所需的空氣溫度、濕度以及空氣流量。從恒溫水箱流出的冷卻水，通過(guò)微型水泵被輸送到泡沫金屬的銅板一側(cè)，以冷卻銅板；銅板將冷量傳遞給泡沫金屬，從而使?jié)窨諝庠谂菽饘賰?nèi)流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)析濕現(xiàn)象。通過(guò)溫濕度傳感器、流量計(jì)、壓差計(jì)和熱電偶，對(duì)測(cè)件進(jìn)出口的溫度/濕度、空氣流量、樣件前后的壓差和進(jìn)出口水溫進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)各參數(shù)進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)輸出。

本實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)量?jī)x器測(cè)量精度如表 1所示，由MOFFAT[13]方法分析得到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差，換熱量的誤差小于±14.1%。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 泡沫銅測(cè)試樣件示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)儀器誤差分析表

2 濕空氣速度、溫度及相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)傳熱傳質(zhì)特性的影響分析

圖3給出了入口空氣相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱特性影響的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著相對(duì)濕度的增加，顯熱換熱逐漸減小。這是由于濕度小于一定值時(shí)，析濕量小，凝結(jié)的水少，對(duì)顯熱換熱的影響不大。入口相對(duì)濕度在 60%左右時(shí)，凝結(jié)水在泡沫金屬纖維表面聚集，對(duì)顯熱換熱有一定的抑制作用，但是此時(shí)潛熱換熱量急劇增大；當(dāng)入口相對(duì)濕度大于75%時(shí)，潛熱換熱高于顯熱換熱。顯熱與潛熱換熱量的疊加，導(dǎo)致總換熱量隨著入口相對(duì)濕度的升高逐漸增大，且增長(zhǎng)的速度逐漸減小。結(jié)果表明，隨著入口相對(duì)濕度的增大，盡管有凝結(jié)液滴在泡沫金屬表面積聚，總換熱量仍然逐漸增加。

圖4給出了入口空氣溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱特性影響的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著入口空氣溫度的增加，潛熱換熱量增大，顯熱換熱量略微增大，總換熱量逐漸增加。這是由于隨著入口溫度的增加，潛熱換熱量逐漸增大，此時(shí)泡沫金屬纖維表面附著凝結(jié)液滴，增加了泡沫金屬與空氣的接觸熱阻，從而導(dǎo)致顯熱換熱量的增長(zhǎng)幅度減小。當(dāng)溫度從25 ℃上升到35 ℃時(shí)，總換熱量增長(zhǎng)了82%。

圖3 入口相對(duì)濕度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱特性的影響

圖4 入口空氣溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱特性的影響

圖5給出了相對(duì)濕度為70%時(shí)，空氣速度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱與壓降特性的影響規(guī)律。由圖可知，隨著空氣速度的增大，對(duì)流換熱的強(qiáng)度增加，盡管潛熱量基本保持不變，但對(duì)于顯熱換熱量和總換熱量，它們隨空氣速度的增大而增加，這是由于雷諾數(shù)的增加使得對(duì)流換熱系數(shù)增大。

圖5 入口空氣速度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱特性的影響

3 冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱特性的影響分析

圖6給出了入口冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)濕空氣換熱特性的影響規(guī)律。由圖可知，隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大，總換熱量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖6 冷卻水溫度對(duì)泡沫金屬內(nèi)換熱特性的影響

4 析濕工況下泡沫金屬與翅片管換熱器空氣側(cè)換熱特性的對(duì)比分析

圖7給出了濕空氣流過(guò)同體積的泡沫金屬與開(kāi)窗翅片管換熱器時(shí)換熱性能的對(duì)比。由圖可知，與同體積的開(kāi)窗翅片管式換熱器相比，泡沫金屬換熱器強(qiáng)化濕空氣換熱40%～112%，在相對(duì)濕度較大時(shí)換熱量增加更明顯。圖8給出了兩種換熱器內(nèi)析濕量的對(duì)比。由圖可知，在相對(duì)濕度較大時(shí)泡沫金屬內(nèi)析濕量明顯大于翅片；相對(duì)濕度 60%～80%時(shí)，泡沫金屬比翅片管換熱器析濕量增加175%以上。

圖7 泡沫金屬與開(kāi)窗翅片管式換熱器的性能對(duì)比

圖8 泡沫金屬與開(kāi)窗翅片管式換熱器的析濕量對(duì)比

5 結(jié)論

1) 隨著入口空氣相對(duì)濕度增加，顯熱換熱量逐漸減小，潛熱換熱量逐漸增大，總換熱量增大；隨著入口空氣溫度和流速的增加，潛熱換熱量、顯熱換熱量及總換熱量均增大，當(dāng)溫度從 25 ℃上升到35 ℃時(shí)，總換熱量增長(zhǎng)了82%。

2) 隨著冷卻水溫度升高，潛熱和顯熱換熱量均減小，且潛熱換熱量降低幅度更大。

3) 與同體積的開(kāi)窗翅片管式換熱器相比，泡沫金屬換熱器內(nèi)的濕空氣換熱量提高40%～112%。

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Experimental Investigation of Heat and Mass Transfer Characteristics of Moist Air in Metal Foam under Dehumidifying Conditions

XU Xu-dong,HU Hai-tao*,YANG Huai-yi,WENG Xiao-min,ZHUANG Da-wei,DING Guo-liang
(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

The heat transfer characteristics of moist air in metal foam during flow and dehumidification processes were investigated experimentally,and the influence principles of different factors were obtained.The results show that,the total heat transfer rate increases with the increasing inlet air relative humidity,temperature and velocity,and the influence of air temperature is more noticeable than that of the other factors;as the air temperature increases from 25 ℃ to 35 ℃,the total heat transfer increases by 82%;the latent and sensible heat transfer rates decrease with the increasing cooling water temperature,and the latent heat transfer has much greater deterioration.Compared to louvered fin and tube heat exchanger,metal foam heat exchanger with the same volume can enhance heat transfer capacity by 40%～112% under the dehumidifying conditions.

Metal foam;Moist air;Dehumidifying condition;Heat transfer;Pressure drop

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.102

*胡海濤（1978-），男，助理研究員，博士。研究方向：制冷系統(tǒng)內(nèi)多相流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)機(jī)動(dòng)學(xué)院A樓435室，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn?；痦?xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金（No.15ZR1422000）