空氣板翅式散熱器特性的理論與試驗研究

安蒙蒙楊洪海*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

板翅式換熱器具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[1]，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和能源的緊缺，伴隨生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化及高科技技術(shù)的快速化發(fā)展，對板翅式換熱器的性能提出越來越苛刻的要求。目前，板翅式換熱器已廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、電子、原子能、武器工業(yè)、冶金、工程機械等諸多領(lǐng)域[2-3]，其性能的好壞主要取決于翅片的傳熱與阻力特性。國內(nèi)對板翅式換熱器傳熱和阻力性能的研究如：王迎新[4]等采用風(fēng)洞實驗，對4個廠家生產(chǎn)的同一型號的8個板翅式散熱器，進(jìn)行了傳熱和阻力特性的實驗研究，得出生產(chǎn)工藝不同各廠家板翅式散熱器的傳熱性能和阻力特性有較大的差異。張小松[5]等對水-空氣板翅式換熱器的傳熱和阻力特性進(jìn)行了實驗研究，擬合了空氣側(cè)對流換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。張衛(wèi)星[6]等對空氣-水板翅式換熱器的性能進(jìn)行了分析，以實驗為基礎(chǔ)，給出了風(fēng)-水系統(tǒng)下板翅式換熱器的j因子和f因子的計算方法。楊志、葛政寧[7-8]等對空氣-水蒸氣式板翅式換熱器進(jìn)行研究，前者將實驗結(jié)果與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對比，得出雷諾數(shù)由低向高過渡時，經(jīng)驗式計算所得性能參數(shù)存在不確定性，后者得出所研究板翅式換熱器的Re適用范圍。對空氣-空氣工質(zhì)的研究相對較少，其中魏進(jìn)家[9]等采用實驗及數(shù)值模擬兩種方法對空氣-空氣式板翅式換熱器的流動和換熱性能進(jìn)行了研究，擬合了傳熱因子和阻力因子的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，試驗和模擬結(jié)果的最大誤差都在19%可接受的范圍之內(nèi)。并得出在層流狀態(tài)下，各對數(shù)因子與對數(shù)雷諾數(shù)成線性關(guān)系，為本試驗的研究提供了參考。

本文以空氣為冷熱介質(zhì)，利用風(fēng)洞試驗臺對某工程機械鋁制板翅式散熱器的傳熱和阻力特性進(jìn)行理論分析和試驗研究，分析其影響規(guī)律。

1 試驗裝置

該試驗在風(fēng)洞試驗臺上進(jìn)行，整個試驗裝置由試驗試件，試驗系統(tǒng)，測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個部分組成。

本次研究的板翅式換熱器主要用于挖掘機、推土機等工程機械方面，對熱量的要求沒有大型工廠高。翅片是板翅式換熱器最基本、最核心的元件，是板翅式換熱器的二次傳熱表面，翅片的選擇對強化傳熱效果，達(dá)到更為理想的試驗效果具有重要作用。本試驗流體為低溫層流狀態(tài)，為了得到更好的試驗效果，冷空氣側(cè)選用層流狀態(tài)時傳熱強化效果較強的波紋翅片。熱空氣側(cè)選擇在相同壓力損失下比平直翅片傳熱系數(shù)高30%以上的鋸齒翅片。

1.1 試驗試件

試驗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），熱空氣側(cè)為鋸齒型翅片，如圖 1（c），試驗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 試驗試件及翅片結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗系統(tǒng)

風(fēng)洞試驗系統(tǒng)如圖2所示，本次試驗的測試件是氣—氣換熱的中冷器，整個風(fēng)洞試驗裝置主要分為冷空氣通道和熱空氣通道。通過控制風(fēng)機的頻率，來改變冷空氣側(cè)入口流量，在冷熱通道中分別對冷、熱空氣進(jìn)出口溫度，冷熱空氣流速，風(fēng)洞兩端壓差和測試件兩端壓差，入口壓力等參數(shù)進(jìn)行測量。

圖2 風(fēng)洞試驗系統(tǒng)

利用空調(diào)箱調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，使冷空氣側(cè)的入口溫度為恒定狀態(tài)并維持在20±0.2℃。流量試驗室內(nèi)的壓力定為一個大氣壓。試驗中冷介質(zhì)為20℃的冷空氣，熱介質(zhì)為160℃的熱空氣，熱空氣側(cè)的流量控制在0.23±0.01 kg/s。

1.3 測量系統(tǒng)

1）冷空氣側(cè)入口風(fēng)溫用Pt100熱電阻測量，出口風(fēng)溫使用16對鐵-康銅熱電偶測量，使用標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶儀進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。冷空氣側(cè)流速在測壓段測量，采用畢托管測量。冷空氣側(cè)的動壓采用數(shù)字微壓器進(jìn)行測量。

2）熱空氣側(cè)入口壓力與溫度分別由壓力傳感器和溫度傳感器進(jìn)行測量。流量由出口管道處的流量計測量，而測試件兩端的壓力差則由EJA530A壓差傳感器測定。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

整個試驗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連接，完成數(shù)據(jù)的記錄和儲存。系統(tǒng)開機以后要多運行一段時間，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該實驗所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在正式試驗前已預(yù)熱半小時。

2 理論分析

2.1 換熱量

空氣的換熱量，如式（1）、（2）：

式中：m表示質(zhì)量流量，kg/h；T表示溫度，℃；Q表示換熱量，W；Cp為空氣側(cè)定壓比熱，J/(kg·℃)；`、``分別表示流體的進(jìn)口和出口狀態(tài)；1、2下腳標(biāo)分別表示冷空氣和熱空氣。

平均換熱量，如式（3）：

冷空氣側(cè)傳熱系數(shù)，計算采用式（4）～（5）：

式中：K為冷空氣側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為傳熱面積，m2；△Tm為對數(shù)平均溫差，℃。

2.2 傳熱因子和阻力因子的定義式

根據(jù)傳熱學(xué)理論，冷空氣側(cè)換熱系數(shù)與許多因素有關(guān)，因此引入無量綱參數(shù)傳熱因子與阻力因子，分別用來描繪對象的傳熱性能和阻力。

雷諾數(shù)Re：

傳熱因子j∶

式中：Gc為空氣側(cè)質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；De為當(dāng)量直徑，m；μ 為動力粘度系數(shù)，kg/(m·s)；Pr為普朗特數(shù)；St為斯坦頓數(shù)；Cp為空氣側(cè)定壓比熱，J/(kg·℃)；a為空氣側(cè)對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Q1為冷空氣側(cè)換熱量，W；△T為空氣與換熱板間的溫差,℃；η0為翅片壁面效率；F為換熱面積，m2。

對于一般的傳熱計算，通常用努賽爾數(shù)作為對流換熱系數(shù)的表征。但在換熱器的設(shè)計及熱力計算中，常使用上述的斯坦頓數(shù)來表征空氣側(cè)對流換熱系數(shù)。通過傳熱因子的定義式，可以看出，傳熱因子也是一個表征對流換熱系數(shù)的無量綱參數(shù)。

若空氣進(jìn)出口溫度相差相對較小，對其物性特征影響不大，則不考慮其隨著溫度變化引起的熱物理性質(zhì)變化。因此空氣在板束中流動的阻力因子f的定義式為：

式中：△P為冷空氣流過換熱器的壓降，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；l為試件冷空氣側(cè)有效長度，m。

2.3 傳熱因子和阻力因子的經(jīng)驗式

對于波紋翅片來說，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，計算過程也不易，容易受到波長與波幅的影響，因此至今未有實驗室繪制出相應(yīng)的特性曲線圖。而在國外學(xué)者的研究中，得出了一些擬合公式，在簡化計算中可以用作參考。Sheik和Velraj[10]等學(xué)者在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上整理出來的波紋翅片傳熱因子與阻力因子擬合公式（100≤Re≤800時）如下：

式中：s，hf，A，Ld分別為翅片間距，翅片高度，翅片波幅，翅片波長。

3 試驗結(jié)果及分析

圖3為平均換熱量Q（W）隨入口風(fēng)量G（m3/h）的變化曲線，可以直觀地看出，當(dāng)流量繼續(xù)增大，平均換熱量逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，這是由于在換熱面積一定的情況下，對某種特定的芯體來說，換熱量存在極限值。

圖3 平均換熱量隨入口風(fēng)量的變化曲線

從圖3、4可以看出，隨入口風(fēng)量的增加，總換熱量增大，冷空氣側(cè)進(jìn)出口溫差減小，熱空氣側(cè)溫差增大。這是因為，隨著冷空氣側(cè)入口風(fēng)量的增大，單位質(zhì)量的空氣在換熱器內(nèi)停留的時間縮短，影響其換熱效果。對于熱空氣側(cè)，在實驗過程中流量保持不變，當(dāng)總換熱量增大時，其進(jìn)出口溫差增大。

圖4 冷熱空氣側(cè)進(jìn)出口溫差隨空氣流量的變化曲線

此外，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，探究冷空氣側(cè)流速對于換熱器的總傳熱系數(shù)和通風(fēng)阻力的影響，得到相應(yīng)的結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 總傳熱系數(shù)隨入口風(fēng)量的關(guān)系圖

圖6 通風(fēng)阻力隨入口風(fēng)量的關(guān)系圖

從圖5、6可以看出，冷空氣側(cè)傳熱系數(shù)與通風(fēng)阻力都是隨著空氣流量的增大而增大，但兩者的上升趨勢稍有不同。這是因為空氣流量的增加，空氣在翅片間擾動加強，對流換熱系數(shù)增大，從而傳熱系數(shù)增大。同時，空氣與翅片之間的摩擦力增大，會導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大。

擬合出的冷空氣側(cè)傳熱系數(shù)K（W/(m2·℃)）與入口風(fēng)量G（m3/h）的試驗關(guān)系式如下：

擬合出的通風(fēng)阻力R（Pa）與入口風(fēng)量G(m3/h)的試驗關(guān)系式如下：

對試驗中8種不同的空氣流量工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，分別得出定義式和經(jīng)驗式下j因子和f因子值。

圖7 j因子隨雷諾數(shù)Re的變化

圖8 f因子隨雷諾數(shù)Re的變化

從圖7、8可以看出，在整個測試工況的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，翅片的傳熱因子與阻力因子均隨著雷諾數(shù)的增加變化趨勢一致，均呈指數(shù)形式下降。該試驗結(jié)果與試驗工況相似的楊志[7]等的結(jié)果較接近，具有可靠性。但實驗結(jié)果明顯高于經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式（傳熱因子最大偏差為0.40，阻力因子最大偏差達(dá)到3.58），這是由于經(jīng)驗關(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，需要在實驗基礎(chǔ)上修正經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。

為此，針對本文研究的波紋型翅片，對經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得到新的擬合關(guān)聯(lián)式：

4 結(jié)論

1）根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，分析了本次試驗用板翅式換熱器的平均換熱量，冷空氣側(cè)傳熱系數(shù)，通風(fēng)阻力與入口風(fēng)量之間的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。研究表明，平均換熱量，傳熱系數(shù)及通風(fēng)阻力隨著入口風(fēng)量的增加而增加，后兩者的增幅分別為0.543、1.8675次方。

2）本次試驗流體處于層流狀態(tài)，對其傳熱和阻力特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著Re的增大，換熱器冷空氣側(cè)的j、f因子在逐漸減小。比較定義式和經(jīng)驗式下的j、f因子，其變化趨勢均與理論相符，但兩者計算值有所偏差，其中f因子偏差較大，并分析了造成該現(xiàn)象的具體原因。

3）常用的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式已不再適用于本次試驗用板翅式換熱器，為便于該換熱器的設(shè)計計算和選型，擬合出了新的j、f-Re關(guān)聯(lián)式，為今后鋁制板翅式換熱器在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用及選型提供有效參考。