板翅式氣-水換熱器傳熱與阻力性能試驗(yàn)研究

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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(jì)測量水體積流量，渦輪流量計(jì)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(gè)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(jì)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(shí)間約為15 min。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算步驟

2.1.1 傳熱因子j 的計(jì)算

傳熱因子由式（1）和（2）計(jì)算

式中：G為空氣側(cè)質(zhì)量流量，k g/(m2s)；Pr為普朗特?cái)?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(jì)算空氣側(cè)傳熱系數(shù)，繼而通過迭代計(jì)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(jì)算才能計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)

在1000≤Re≤15000時(shí)

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(gè)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(jì)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(jì)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(jì)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。

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