板翅式換熱器翅片流阻快速檢測系統(tǒng)設(shè)計

張國興,鐘曉龍,夏宇棟,王 劍,章有虎

(1.杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司，杭州 311402；2.杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

板翅式換熱器在實踐層面中，是一種具有典型緊湊意義的熱交換器[1]。與傳統(tǒng)管式換熱器相比，它具有傳熱系數(shù)高、單位體積換熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、溫度范圍寬等優(yōu)點[2]。它已廣泛應(yīng)用于布雷頓循環(huán)回?zé)崞骷袄鋮s器、低溫領(lǐng)域及氫液化系統(tǒng)、船舶燃氣輪機用中間冷卻器、LNG領(lǐng)域用汽化器及液化氣等諸多領(lǐng)域[3]。在傳熱機理方面，板翅式換熱器仍然是一種具有二次傳熱面的間壁式換熱器。其主要特征是傳熱步驟不僅在一次傳熱面(隔板)上進行，而且在二次傳熱面(翅片)上進行。熱量會沿翅片高度方向從高溫側(cè)轉(zhuǎn)移到低溫側(cè)。在翅片的高度方向上有一個擋板，通過對流將熱量傳遞給低溫側(cè)的介質(zhì)。板翅式換熱器就單位體積表面積而言比其他類型的熱交換器都大，在行業(yè)內(nèi)基本上可達到700 m2/m3以上。

在板翅式換熱器翅片的實際加工過程中，受加工工藝的限制，加工后的翅片結(jié)構(gòu)尺寸、翅片形狀往往不能與設(shè)計尺寸嚴格一致，導(dǎo)致理論設(shè)計與實際制造之間存在偏差。因此，在實際設(shè)計中通常需要保留一定的設(shè)計余量。當(dāng)實際翅片與理論設(shè)計差異過大時，往往要求設(shè)計保留更大的余量，這樣勢必會影響板翅式換熱器的開發(fā)成本。另一方面，加工翅片的模具在長時間反復(fù)沖壓之后將產(chǎn)生不可逆的磨損，這也將導(dǎo)致加工翅片的尺寸和形狀的偏移以及翅片毛刺的增多[4-6]。模具磨損造成的翅片加工質(zhì)量的下降會嚴重影響加工翅片的傳熱和流動性能，在實際運行過程中，板翅式換熱器的流動阻力的增大，勢必會造成系統(tǒng)運行能耗的增加。

目前，國內(nèi)的一些制造商檢查翅片質(zhì)量普遍應(yīng)用的是人工抽樣的方法，主要是為了觀察翅片形狀、毛刺，同時也可以測量其尺寸[7]。通常，目視很難感覺到翅片的細微變化。翅片毛刺形態(tài)特征取決于檢查員的主觀判斷，這是非常主觀的。并且，因為翅片的高度比較高，節(jié)距和翅片厚度又相對很小，量級為毫米，尺寸誤差很大。同時，原材料板材厚度不一致，對加工后的翅片質(zhì)量存在著一定的影響。人工檢查取決于經(jīng)驗。因缺乏有效的產(chǎn)品質(zhì)量檢測方法，需要預(yù)留較大的設(shè)計裕量和安全系數(shù)，勢必會增加制造成本。

板翅式換熱器翅片阻力特性即不同雷諾數(shù)Re下阻力因子f的變化特性。Re-f特性一方面可以直接反映翅片的流阻狀況，另一方面也可間接表征翅片的加工質(zhì)量。因此可以通過測試得到翅片的阻力特性曲線，并與該翅片相應(yīng)的標準阻力特性曲線比較的方式，來判斷翅片的加工質(zhì)量[8]。但是傳統(tǒng)的基于風(fēng)機驅(qū)動的測試裝置存在雷諾數(shù)上限低、離散測試、測試試件拆裝繁瑣、測試效率低等缺點。因此，如何實現(xiàn)翅片阻力特性快速、準確檢測，是實現(xiàn)翅片加工質(zhì)量檢測的關(guān)鍵性技術(shù)難題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

板翅式換熱器基本換熱單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由翅片(導(dǎo)流片)、隔板(最外側(cè)的側(cè)板)和封條組成。在上下兩層隔板之間，放置換熱翅片，四周用封條密封，在進出口處設(shè)置導(dǎo)流片，形成一個完整的通道層。多個基本換熱單元經(jīng)逆流、并流或錯流的形式組合裝配在一起經(jīng)真空釬焊成為板束。再將帶有接管的進出口封頭焊接到板束上，將同種流體的通道層都覆蓋含在其中，形成一個完整的流道。目前，最多可以20多股流體同時在一臺板翅式換熱器換熱。

圖1 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)

1.1 測試原理

為了得到翅片的流動阻力特性，需要對翅片在不同雷諾數(shù)Re下的翅片試件兩端壓降進行測試，根據(jù)測得壓降，通過計算得到翅片的流動阻力系數(shù)f。

測試流道內(nèi)的壓力分布如圖2所示，測試中實際測得的流道進出口壓降ΔP由三部分組成：入口阻力ΔP1、出口阻力ΔP2和換熱翅片阻力ΔP3，且滿足關(guān)系ΔP=ΔP1+ΔP3-ΔP2。其中，入口阻力ΔP1由兩方面因素引起，流體流動面積變化會導(dǎo)致壓力降，而突縮段不可逆自由膨脹也會導(dǎo)致壓力降，滿足：

圖2 流體流經(jīng)翅片芯體的壓降分布

(1)

式中，ρ1為入口流體密度(kg/m3)；G為質(zhì)量流速(kg/(m2·s))；kc為收縮阻力系數(shù)；σ為流體面積與迎風(fēng)面積的比值，Afree/A。

出口阻力降ΔP2：

(2)

式中，ρ2為出口流體密度(kg/m3)；ke為突擴阻力系數(shù)。

(3)

式中，ρa和ρb為換熱器進出口流體密度，忽略測試流道入口到換熱器入口以及換熱器出口到流道出口的密度變化，即ρ1=ρa，ρ2=ρb。

因此，流道進出口壓降ΔP：

(4)

因此，換熱器翅片的阻力因子可由下式計算得到[9]：

(5)

其中：ΔP為翅片芯體壓降，ρ1，ρ2分別為入口和出口流體密度，ρm平均密度，ρm=(ρ1+ρ2)/2，ua為通過最小自由流通面積進入換熱器的流速，σ自由流體面積與迎風(fēng)面積之比。kc，ke分別收縮與突擴阻力系數(shù)，可根據(jù)參考文獻[10]的經(jīng)驗公式計算得到。ΔP由安裝在流道進出口差壓變送器測量得到。進出口密度ρ1和ρ2通過檢測流道進出口溫度(T1，T2)和壓力(P1，P2)利用空氣狀態(tài)方程計算得到。

除此之外，為了得到不同翅片結(jié)構(gòu)的流動阻力特性，還需要計算測試工況下的雷諾數(shù)Re，雷諾數(shù)Re由下式計算得到：

(6)

式中，Dh為翅片水力直徑，Qa為翅片試件入口體積流量，Afree迎風(fēng)面自由流通面積，ν是空氣運動粘度。根據(jù)公式(5)和(6)即可以得到翅片在不同Re下的阻力系數(shù)f，從而得到不同翅片結(jié)構(gòu)Re-f阻力特性曲線。

另一方面，低溫裝置用板翅式換熱器工作溫度低、壓力高，實際運行中雷諾數(shù)一般都要1 000～30 000之間，為了使測試工況跟接近于翅片實際運行狀態(tài)，測試系統(tǒng)也要能夠獲得10 000以上的雷諾數(shù)，但是受限于風(fēng)機的功率，傳統(tǒng)的風(fēng)機驅(qū)動裝置其Re數(shù)一般只能達到3 000左右[7]。對于氣體，其運動粘度與溫度正相關(guān)與壓力負相關(guān)，因此可以通過降低氣體溫度或提高氣體壓力來獲得相對較小的運動粘度[11]。相較于降低氣體溫度，提高氣體壓力更容易實現(xiàn)，因此測試方案選擇通過增大空氣壓力來獲得高雷諾數(shù)[12]。利用NIST開發(fā)的開源物性軟件REFPROP得到在室溫下不同壓力下空氣的運動粘度變化趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，隨著空氣絕對壓力的增大，空氣運動粘度下降。如圖4所示，通過提高空氣壓力，降低空氣粘度可以有效降低相同雷諾數(shù)下所需的空氣流量。因此測試方案最終決定以提高空氣壓力的方式獲得高雷諾數(shù)。

圖3 空氣運動粘度隨絕對壓力變化曲線圖

圖4 Re=10 000時不同壓力下的空氣體積流量

1.2 系統(tǒng)組成

該換熱器流阻測試系統(tǒng)整體如圖5所示，主要包括3個部分：測試風(fēng)洞系統(tǒng)、翅片試件固定裝置和測控系統(tǒng)。

圖5 板翅式換熱器翅片阻力特性測試系統(tǒng)圖

1.2.1 測試風(fēng)洞

測試風(fēng)洞由規(guī)格為DN50不銹鋼管道以及相關(guān)閥件組成。高壓氣源(0.8 MPa)從左側(cè)進入測試風(fēng)洞，經(jīng)減壓閥減壓后進入穩(wěn)壓罐成為低壓氣源(0.2～0.5 MPa)。穩(wěn)壓罐內(nèi)的低壓氣源再通過手動閘閥，后進入測試主臺架，經(jīng)過翅片試件后，進入渦街流量計進行流量檢測，最后由電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，排到大氣之中。主臺架進出口安裝有取壓口，并與差壓變送器相連，用以檢測測試試件的進出口壓差。除此之外，測試主臺架的進出口風(fēng)管上都安裝有壓力傳感器和溫度傳感器，其中進口段安裝為溫濕度傳感器，可同時檢測進口溫度T1和相對濕度RH1，出口段安裝PT100溫度傳感器用以檢測出口溫度T2。選用測試傳感器信息如表1所示。

表1 測試傳感器參數(shù)

1.2.2 翅片試件固定裝置

翅片試件固定臺架是測試系統(tǒng)的核心部分，主要負責(zé)固定測試試件和檢測試件兩端壓差，因此主要由液壓系統(tǒng)和試件模具兩部分組成。液壓系統(tǒng)控制試件模具上模垂直方向的位移，并提供一定壓力促使上模與下模完全貼合，保證測試流道的密封。

模具固定裝置如圖6所示，該裝置主要有上模、下模、進風(fēng)口和出風(fēng)口四部分組成，上模和下模合模后組成風(fēng)道，用以放置測試翅片試件。進出風(fēng)口采用“外圓內(nèi)方”結(jié)構(gòu)，一側(cè)利用法蘭與DN50的測試風(fēng)洞相連，另一側(cè)與下模連接。為了保證進入試件氣流的均勻性，一方面圓形風(fēng)道與方形風(fēng)道之間采用135°進行過渡[13]；另一方面，在進風(fēng)口方形流道內(nèi)安裝勻流板。另外，在進(出)風(fēng)口近下模方形流道入(出)處設(shè)置有取壓環(huán)，并在取壓環(huán)上方打孔焊接取壓頭，用以連接差壓變送器測量進出口壓差。

圖6 翅片試件模具結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 測控系統(tǒng)

測控部分如圖7所示。數(shù)據(jù)采集采用安捷倫采集儀，通過RS485轉(zhuǎn)PCI串口總線與C#上位機進行通訊，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集；控制系統(tǒng)主要負責(zé)電動調(diào)節(jié)閥閥門開度、開模和關(guān)模的控制。需采集的信號有鉑電阻Pt100采集的溫度電信號(四線制)、溫濕度傳感器采集的溫度及濕度電信號、壓力變送器采集的壓力電信號、壓差變送器獲得的壓差電信號和渦街流量計輸出的流量電信號。

圖7 測試系統(tǒng)測控方案

需要控制的命令為電動調(diào)節(jié)閥的控制命令和電源開關(guān)控制命令。電動調(diào)節(jié)閥的控制命令主要是控制電動調(diào)節(jié)閥開度以求獲得不同空氣流量，從而得到不同的雷諾數(shù)。開關(guān)控制命令主要是控制油泵電源通斷、翅片試件模具門繼電器通斷和電動調(diào)節(jié)閥電源通斷。

2 測控軟件開發(fā)

2.1 軟件總體設(shè)計

為了實現(xiàn)測試功能還需要開發(fā)一套上位機測控軟件。常用的上位機軟件開發(fā)語言有Labview[14-16]、C++[17]和C#[18-19]等。C#結(jié)合了C和C++的安全、高效、穩(wěn)定和美觀的優(yōu)點。因此本軟件采用C#，它擁有庫函數(shù)，調(diào)用方便快捷。所以，本文開發(fā)軟件時，需要創(chuàng)新開發(fā)該換熱器氣阻試驗系統(tǒng)的測試軟件，主要目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制?？紤]到數(shù)據(jù)的持久化存儲，本軟件決定采用板翅式換熱器氣阻試驗系統(tǒng)SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫，并且還智能化處理采集的數(shù)據(jù)，符合翅片質(zhì)量檢測與數(shù)據(jù)解析的要求。軟件可根據(jù)用戶需求自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥閥門開度控制流量，使用渦街流量計采集氣體流量，然后根據(jù)流量計算原理和氣流阻力計算原理計算出實際氣體流量。通過C#上位機發(fā)送指令控制閥門開度，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)差壓變送器的顯示參數(shù)計算雷諾數(shù)與摩擦因子的函數(shù)關(guān)系。本軟件具有動態(tài)的Flash動畫界面、實時測試數(shù)據(jù)精確處理、曲線展示、實驗結(jié)果報表打印以及實驗數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

軟件主界面如圖8所示。主界面主要有8個功能區(qū)域，分別是：

圖8 測控軟件界面

1)菜單欄區(qū)域：選擇測試方式、模擬量輸入、輸出模塊初始化操作、傳感器數(shù)據(jù)采集、用戶權(quán)限管理、翅片質(zhì)量檢測實驗參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢和查看幫助文檔等。

2)工具欄：翅片相關(guān)特性參數(shù)設(shè)置，方便了用戶的操作以及使用，同時工具欄的最右邊還添加了文本記錄框。

3)狀態(tài)欄：記錄實驗?zāi)壳暗倪\行狀態(tài)以及電動調(diào)節(jié)閥、開模以及關(guān)模的狀態(tài)。

4)任務(wù)欄：記錄了當(dāng)前的實驗操作步驟，登錄用戶狀態(tài)等信息。

5)數(shù)據(jù)查詢欄：顯示實驗相關(guān)的翅片配置信息，實時采集的傳感器數(shù)據(jù)與C#上位機計算完的數(shù)據(jù)。

6)曲線顯示界面：可以將安捷倫實時采集到的傳感器數(shù)據(jù)和計算得到物性數(shù)據(jù)以曲線的形式在主界面進行顯示以及動態(tài)調(diào)整。

7)數(shù)據(jù)查詢欄：讀取本地SQL Server數(shù)據(jù)庫里面的存儲數(shù)據(jù)，以實驗實時時間作為表明的方式存放持久化數(shù)據(jù)。用戶可以對某一換熱器翅片檢測的歷史數(shù)據(jù)進行查看分析還可以進行導(dǎo)出Excel以及打印。

8)報表打印欄：記錄當(dāng)前實驗所計算得到的數(shù)據(jù)的均值，初設(shè)值之間的偏差和翅片質(zhì)量是否合格等一系列信息。

該軟件可根據(jù)用戶需求自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥閥門開度控制流量，使用渦街流量計采集氣體流量，然后根據(jù)流量計算原理和氣流阻力計算原理計算出實際氣體流量。根據(jù)差壓變送器的顯示參數(shù)計算雷諾數(shù)與摩擦因子的函數(shù)關(guān)系。上位機軟件主要功能如圖9所示，主要有實時數(shù)據(jù)采集、精確數(shù)據(jù)處理、實時曲線展示、實驗結(jié)果生成、檢測報表打印以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

圖9 測控軟件主要功能

2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理模塊是本測控軟件的核心模塊，其工作流程如圖10所示。測試開始后，溫度、濕度、壓差、電流和電壓等參數(shù)數(shù)據(jù)通過RS485通信協(xié)議傳輸?shù)絇C機中。為了保證實驗系統(tǒng)氣體流量的穩(wěn)定性，采集系統(tǒng)需要在流量穩(wěn)定后開始定時采集和更新日志，每次定時觸發(fā)，需要對10次采集的結(jié)果進行閾值判斷，閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點進行均值處理以及通過相關(guān)計算轉(zhuǎn)化成可視化數(shù)據(jù)。接著需要對均值進行數(shù)值分析與處理，將處理完的數(shù)據(jù)填充到DataGrid表格、曲線繪制、Flash動畫顯示及保存到數(shù)據(jù)庫。在測試系統(tǒng)運行過程中，本系統(tǒng)以實時監(jiān)控界面的形式使操作人員方便觀察實驗過程。標記語言采用XML，用其進行數(shù)據(jù)存儲、標記與傳輸。

圖10 數(shù)據(jù)采集處理模塊流程圖

3 測試結(jié)果分析

3.1 測試結(jié)果不確定度

影響測試結(jié)果不確定度的因素主要包括兩方面，一方面是測試重復(fù)性引起的不確定度；另一方面是測試儀表示值誤差引起的不確定度。

3.1.1 雷諾數(shù)測試不確定度

雷諾數(shù)主要通過檢測管道氣體流量Q以及根據(jù)管道溫度T和壓力P得到運動粘度υ，計算得到，因此雷諾數(shù)測試不確定度uRe主要由渦街流量計、壓力傳感器和溫度傳感器的重復(fù)性誤差引起的測試不確定度sRe和示值誤差引起的不確定度usRe決定。

(7)

由渦街流量計、壓力傳感器和溫度傳感器的重復(fù)性誤差引起的測試不確定度sRe:

(8)

其中:SQa為測量流量Qa的重復(fù)性誤差，ST為測量溫度T的重復(fù)性誤差，SP為測量壓力P的重復(fù)性誤差。

同理，由渦街流量計、壓力傳感器和溫度傳感器的示值誤差引起的不確定度usRe:

usRe=

(9)

其中:us_Qa、us_T和us_P分別是流量計誤差、進出口溫度傳感器誤差、進出口壓力傳感器的示值誤差。

圖11為Re在1 000～10 000范圍內(nèi)的測試不確定度絕對值與相對值。由圖可知，Re的檢測不確定度始終保持在1.3%～3.5%之間，因此，Re的測試不確定度為3.5%。

圖11 Re數(shù)測試不確定度

3.1.2 阻力因子測試不確定度

同理，阻力因子的測試不確定度uf主要由流量Qa、壓差ΔP、溫度T和壓力P測試重復(fù)性引起的阻力因子不確定度sf和傳感器示值誤差引起的阻力因子不確定度usf決定：

(10)

由流量Qa、壓差ΔP、溫度T和壓力P測試重復(fù)性引起的阻力因子不確定度sf:

sf=

(11)

其中:SQa為測量流量Qa的重復(fù)性誤差，SΔP為測量壓差ΔP的重復(fù)性誤差，ST為測量溫度T的重復(fù)性誤差，SP為測量壓力P的重復(fù)性誤差。

由流量Qa、壓差ΔP、溫度T和壓力P測試的傳感器示值誤差引起的阻力因子不確定度usf：

usf=

(12)

其中:us_Qa、us_ΔP、us_T和us_P分別是流量Qa、壓差ΔP、溫度T和壓力傳感器P示值誤差。

圖12為在測試Re數(shù)范圍內(nèi)，測試得到阻力因子的測試不確定度絕對值與相對值。由圖可知，f因子的檢測的不確定度在0.2%～3.5%之間，因此，f因子測試的不確定度為3.5%。

圖12 阻力因子f測試不確定度

3.2 測試結(jié)果的重復(fù)性

以上分析為同一翅片在同一次檢測中的不確定性。實際測試中，對同一翅片可能會在不同溫濕度環(huán)境下進行測試，可能會造成測試結(jié)果的偏差，因此，為了進一步驗證測試裝置對同一測試樣本多次測試下的的重復(fù)性進行了分析驗證。

圖13和圖14為同一鋸齒翅片#1兩次檢測結(jié)果。其中，圖13為兩次測試不同閥門開度下Re測試結(jié)果對比。如圖所示，閥門開度從10%增加到53%，Re大致從3 600增加到12 000，兩次測試結(jié)果基本重合，最大相對誤差為2.58%。兩次測試之間Re測試結(jié)果平均相對誤差為0.69%。圖14為兩次測試不同閥門開度下阻力因子結(jié)果對比。如圖所示，兩次測試結(jié)果基本重合，f因子的測試重復(fù)性相對誤差最大值為7.2%，但綜合來說，其重復(fù)性平均值為2.38%。

圖13 鋸齒翅片#1兩次測試Re數(shù)重復(fù)性結(jié)果

圖14 鋸齒翅片#1兩次測試因子f因子重復(fù)性結(jié)果

圖15和圖16為另一鋸齒翅片#2的兩次檢測結(jié)果。其中，圖15為兩次測試不同閥門開度下Re測試結(jié)果對比。如圖所示，閥門開度從10%增加到45%，Re大致從3 100增加到10 000，兩次測試結(jié)果基本重合，最大相對誤差僅為1.1%。兩次測試之間Re測試結(jié)果平均相對誤差為0.34%。圖16為兩次測試不同閥門開度下阻力因子結(jié)果對比。如圖所示，兩次測試結(jié)果基本重合，f因子的測試重復(fù)性相對誤差最大值為4.8%，但綜合來說，其重復(fù)性平均值為2.83%。

圖15 鋸齒翅片#2兩次測試Re數(shù)重復(fù)性結(jié)果

圖16 鋸齒翅片#2兩次測試因子f因子重復(fù)性結(jié)果

從以上分析可知，對于設(shè)計的測試裝置，其測試Re數(shù)與f因子的重復(fù)性都能保證在3%以下，滿足高性能測試要求。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)的基于風(fēng)機的換熱器阻力測試裝置雷諾數(shù)上限低、試件拆裝繁瑣、測試效率低等缺點，設(shè)計了一種可以實現(xiàn)板翅式換熱器翅片阻力特性檢測的實驗測試系統(tǒng)。硬件方面，該測試系統(tǒng)通過提高氣體壓力獲得較小的運動粘度，從而來獲取較大的測試雷諾數(shù)；另外，設(shè)計了液壓模具裝置來快速加緊翅片試件，從而實現(xiàn)了翅片試件快速固定，提高了檢測效率。軟件方面開發(fā)了基于C#及SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)的上位機測控軟件，實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的實時采集、處理和曲線顯示。

不確定性分析顯示，所設(shè)計的測試裝置檢測的Re數(shù)和f因子的測試不確定性為3.5%。另外對同一翅片不同測試結(jié)果顯示，該檢測裝置系統(tǒng)重復(fù)性誤差均可保證在3%以內(nèi)，完全滿足寬雷諾數(shù)、高精度的翅片阻力特性測量要求?？捎糜诔崞庸み^程中的即時檢測，隨時監(jiān)控翅片的加工質(zhì)量。