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电机冷却用翅管换热器传热和阻力特性研究点击：1882 日期：[ 2014-04-26 21:08:30 ] |
| 电机冷却用翅管换热器传热和阻力特性研究 陈健，吴杰，洪荣华，孙玉阔 (浙江大学热工与动力系统研究所，浙江杭州310027) 摘要:研究了一种电机冷却用新型翅片开孔结构换热器的性能，对三种结构的翅片管换热器进行了换热和阻力性能测试，新型翅片换热器结构为翅片间距2．1 mm且翅片上具有开孔结构，对照组换热器分别为翅片间距2．1 mm无开孔换热器和翅片间距2．3 mm无开孔换热器。试验结果表明，相同Re数下，该种具有开孔结构换热器在所有换热器中换热性能最好，较2．1 mm无孔提升38%～39%，但同时压降损失也最大，较2．1 mm无孔提升41．9%～42．9%。采用j/f评价综合性能，结果显示，Re＞6700时，新型翅片换热器性能优于同翅片间距无开孔换热器。文章还对这三种结构翅片管换热器进行了传热和阻力关联式拟合，可为相关理论研究和工程选用提供参考。 关键词:换热器;开孔;关联式;翅片 中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:1004－3950(2012)02－0011－06 0·引言 电机冷却系统是维持电机正常运行的重要辅助设备，直接影响到电机的温升、出力和寿命。电机冷却系统中大量使用的是翅管式换热器，其结构多采用纯铜管或不锈钢管外嵌整体式铝翅片。在强制对流中，空气侧的换热系数一般只有水侧的5%～20%，因此通常考虑强化空气侧换热来减少空气侧的热阻，以提高换热器的性能。目前许多学者对翅片管换热器的传热传质和空气阻力等基础性课题进行了研究。WANG等［1］研究了翅片管换热器在小翅片间距(1．2 mm＜FP＜1．8 mm)开缝翅片换热器空气侧的性能。孟辉等［2］研究了开缝翅片管换热器换热和压降特性及其评价方法。HIE C K等［3］研究了开缝位置对翅片传热和阻力的影响。TORII K等［4］研究了翅片上加翼状涡流发生器对换热器性能的影响变化规律。国内外的研究结果表明，影响传热和流动阻力的因素很多，包括气流的流速、雷诺数、翅片参数、管束参数以及管束的排列方式等等，多名研究者在不同试验条件下总结出来的传热和流动阻力的关联式存在差异，直接应用于其他换热器误差较大，尤其对于翅片表面具有开孔结构的换热器，开孔结构的差异对翅片换热性能影响较大，需要了解某种换热器的工程应用性能，通过试验得到的结果较为可靠。因此，本文中通过试验对一种新型翅片开孔换热器进行了研究，分析比较几种不同翅片结构换热器在各工况下的换热与阻力性能差异，并拟合得到传热和流动阻力的关联式，为工程选用提供可靠的依据。试验中的雷诺数主要考虑实际工程应用中空气强制对流的范围。 1·试验 1．1试验样件及装置 新型换热器翅片开孔结构见图1，传统翅片开孔结构主要有矩形槽道式开缝，纵向涡结构，三角孔等，本试验翅片开孔方式为整张翅片通过模具挤压在管孔周围形成4个紊流翅片突起结构，突起向上成拱形，与大翅片之间形成小通道。空气流经翅片表面，进入紊流翅片与整张翅片之间的通道形成紊流。管孔之间设有垂直于主体翅片的小矩形翅片。该种开孔结构通过紊流翅片增加气流扰动，换热面积相对原翅片并没有减小，因而具有强化换热效果。图2是试验用的普通无开孔平直翅片结构图。试验用的三组换热器外形尺寸相同，均为550 mm×390 mm×280 mm，管排为叉排，由不锈钢管外套铝翅片经过机械胀管加工而成，沿气流方向管排数为6排，单排10根传热管，传热管尺寸为Φ16 mm×1 mm，呈正三角形排列，管间距38 mm。图3为管排结构示意图，翅片实物见图4。试验选用的3种翅片管换热器主要结构参数差异见表1。为表述方便，以下简称2．1mm翅片间距具有新型开孔结构换热器为2．1有孔，另两种换热器分别简称为2．1无孔和2．3无孔。 1．2测试装置及工况 换热器性能测试在风洞实验台系统上完成，该实验台主要由热水箱、冷水箱、制冷机、冷却塔、管道泵、风机、变频器、电加热器、空气预处理设备，空气流量测量装置、空气温湿度取样装置、被测换热器、风路系统、水路系统、电气与自控系统以及测试仪表等组成，如图5所示。试验时，样件安装于实验台风路系统中的测试段，风路系统中空气处于循环流动，空气的温湿度参数通过设置在风路系统中的空气湿度调节装置和电加热PID控制来调节。试验中，风量由风道系统中的喷嘴和变频风机控制，风速和风量在喷嘴处测量，换热器进风温湿度通过测定取样风机采集的风样获得。换热器的换热量可通过计算空气进出口焓差或水侧进出口焓差得到，一般认为换热器单体试验空气侧换热能力与水侧换热能力相差在3%以内试验结果有效。实验台各个传感器精度见表2。试验工况调节参数包括换热器迎面风速，进水温度和进风干球温度，具体工况调节参数见表3，本试验主要调节参数为风速，进水温度和进风干球温度在合理范围内波动。 2·试验数据处理换热器总换热热阻［5－7］包括空气侧对流换热热阻、水侧换热热阻、管壁导热热阻，具体有如下关系: 式中:等式左边部分即为换热器总热阻，等式右边分别为换热器空气侧对流换热热阻、水侧换热热阻以及管壁导热热阻。换热器总传热系数U可以根据试验测得的换热量Q得出如下关系: 式中:L为流动方向的翅片长度，Δp为换热器空气流动的压力损失，v为流体的物性取进出口截面上的平均值，本试验中Re变化范围为3800～13000，对应的换热器迎面风速为1．5～5 m/s。为了保证结果的可靠性，需对试验数据的复现性进行考核(该考核是在将试件拆下后过几天重新安装再次进行测试)。以2．1有孔换热器为例，前后两次试验数据对比曲线见图6，由图6可见本试验数据的复现性良好。 3·试验结果与分析 3．1三种翅片结构换热器性能对比分析 3．1．1换热系数 图7为三种翅片结构换热器的空气侧换热系数对比。 由图7可见，三种换热器翅片的换热系数h都随着换热器迎面风速v的增大而增大;当流速v一定时，2．1有孔换热系数最高，2．3无孔换热系数次之，2．1无孔换热系数最低。试验风速范围内，v=1．45 m/s时，2．1有孔的换热系数是2．1无孔的1．38倍，是2．3无孔的1．15倍。v=5 m/s时，2．1有孔的换热系数是2．1无孔的1．39倍，是2．3无孔的1．35倍。上述试验数据结果表明，翅片上打孔对增强换热效果显著。这主要是因为翅片上的开孔破坏了空气流经翅片表面的边界层的发展，使传热得到强化，另一方面，翅片上的穿孔有利于旋涡流动的形成，旋涡区域越大，对传热强化作用越明显。对比2．3无孔和2．1无孔发现，v=1．45 m/s时，2．3无孔换热系数比2．1无孔换热系数高20%，v=5 m/s时，2．3无孔换热系数比2．1无孔换热系数高3%。试验风速范围内，2．3无孔的换热系数均高于2．1无孔的换热系数，这与文献［10］中试验结论:Re数较大时，随着片距的增大换热增强，较为一致。主要原因是间距较小的翅片对旋涡流动的抑制较大，导致旋涡不能向更远的下游传递，因而2．1翅片间距的换热器空气侧传热性能不及2．3翅片间距的换热器。 3．1．2压降Δp的比较 图8是三种换热器空气侧压降和迎面风速的关系曲线图。 从图8中可以看出相同Re数下，2．1有孔的压降最大，2．1无孔的次之，2．3无孔的最小。在Re=3800时，2．1有孔的压降比2．1无孔高42．9%，较2．3无孔高达60%，在Re=13000时，2．1有孔的压降比2．1无孔高41．9%，较2．3无孔高56．8%。压降对比结果表明，2．1有孔压降最大，显著高于2．1无孔，这说明翅片上该种打孔结构对阻力性能影响很大。原因主要是打孔结构强化了空气流经翅片的旋涡流动，而漩涡的形成会使流动阻力有一定的提高。对比两组无孔翅片换热器，2．3无孔压降损失比2．1无孔压降损失低，这一试验结果与文献［10］较一致，原因主要是2．1间距的换热器翅片密度要高于2．3间距的换热器，而对于一定的气体流量，翅片密度越大，气流在翅片上的润湿周边也就越大，气流受边界层流动的粘性力影响更大，流动阻力也就越大。 3．1．3 j因子和f因子的比较 分别计算这三组换热器的j因子和f因子，得到它们与Re数的关系。图9和图10分别是j因子和f因子与Re数的关系曲线图。从图9可以看到，j因子最大的是2．1有孔，2．3无孔次之，2．1无孔最小，三组换热器j因子都随着Re数增大而降低。图10中的f因子曲线表明，2．1有孔换热器f因子最大，2．3无孔换热器f因子最小。 林宗虎等［11］编著的强化传热技术一书中介绍采用j/f来评判换热器整体性能。文献［12］—［14］中也都采用了该方法进行换热器性能评价，因此本文中参照上述学者的方法对换热和阻力进行综合评价。 图11是三组换热器j/f值与Re数的关系曲线图。从图中可以看到，三组换热器的j/f值都随着Re数增大而增大。对比发现，相同Re数下，j/f值最高的是2．3无孔的换热器。2．1无孔换热器和2.1有孔换热器j/f值较为接近，并在Re=6700处有一交点，当3800＜Re＜6700时，2．1无孔换热器的j/f值略高于2．1有孔换热器，而当6700＜Re＜13000时，2．1有孔换热器的j/f值要高于2.1无孔换热器。 j/f值比较结果表明三种换热器综合性能，2．3无孔换热器最好，2．1有孔换热器在Re数高于6700时，较2．1无孔换热器综合性能更好。而在实际应用于电机冷却中，往往只需考虑阻力损失在允许范围内，换热系数越高越好。前面的试验数据表明，相同风速下，2．1有孔换热器的换热性能优于其他两种换热器，在压降符合要求的情况下，可更好地满足电机冷却要求。3．2换热与阻力关联式拟合图12为三种换热器Nu和Re的关系曲线图。根据实验测量结果，利用最小二乘法对数据进行拟合，得到各换热器的换热和阻力关联式。在试验的3800＜Re＜13000范围内，将试验数据拟合成如下关联式: 无孔换热器换热关联式: 换热关联式100%的数据拟合偏差在±5．4%以内，最大拟合偏差+5．4%，－4．7%。阻力关联式100%的数据拟合偏差在±2．3%以内，最大拟合偏差+2．0%，－2．3%。有孔换热器换热关联式: 换热关联式100%的数据拟合偏差在±4%以内，最大拟合偏差+3．9%，－2．8%。 阻力关联式100%的数据拟合偏差在±2．6%以内，最大拟合偏差+2．6%，－2．5%。无孔换热器换热关联式: 换热关联式100%的数据拟合偏差在±7．4%以内，最大拟合偏差+7．4%，－6．2%。阻力关联式100%的数据拟合偏差在±1.7%以内，最大拟合偏差+1．7%，－1．3%。 表4所列为各关联式的系数和指数。 4·结论 本文通过对3种不同翅片结构换热器元件的换热和阻力性能进行对比试验，得到以下 结论: (1)三种换热器，相同Re数下，2．1有孔换热器换热性能最好，但阻力损失也最大，Re＜6700时，其j/f值要小于2．1无孔换热器，Re＞6700时，其j/f值高于2．1无孔换热器，综合考虑传热和阻力的情况下，Re＞6700时，2．1有孔换热器性能优于2．1无孔换热器。 (2)通过对两种翅片间距(2．1 mm，2．3 mm)的换热器进行对比，得出在Re=3800～13000范围内，相同Re数下，2．3无孔在换热和阻力性能上都明显优于2．1无孔。 (3)试验结果证明了2．1 mm翅片间距换热器上所采用的新型开孔结构能有效提升换热器的换热性能，实际应用于电机冷却中，只要该换热器阻力损失在合理范围内，可以替代2．1无孔换热器，以强化冷却效果。而两种翅片间距无孔换热器的比较结果表明，2．3 mm翅片间距在换热和阻力性能上均优于2．1 mm间距，后续工作可以考虑针对该种新型开孔结构换热器选用不同翅距进行研究。 (4)本文中拟合得出的换热和阻力关联式，可供工程设计选用。 参考文献:略 |
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