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泡沫金属填充板式换热器的传热特性研究点击：2004 日期：[ 2014-04-26 21:14:16 ] |
| 泡沫金属填充板式换热器的传热特性研究 程聪，张铱鈖 (太原理工大学化学化工学院，山西太原030024) 摘要:以空气为介质对泡沫金属填充板式换热器的综合性能进行了试验研究，主要研究了不同孔密度的泡沫金属填充板式换热器的传热效率及压力损失。结果表明:对于以空气为介质的板式换热器，填充泡沫金属后，在较小的压力损失下传热效率得到显著提高，压力损失随孔密度的增大而增大。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有工程实用价值。 关键词:泡沫金属;板式换热器;强化换热 中图分类号:TH142;TQ051．5文献标识码:A文章编号:1001－4837(2012)02－0013－04doi:10．3969/j．issn．1001－4837．2012．02．003 0·引言 换热设备是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备［1］。其主要作用是实现物料之间的热量传递。常用的换热设备按其结构型式可分为列管式、螺旋板式、板式、板壳式、板翅式和板片管式等。在大型换热器方面，我国已自主研制出超大型固定管板式换热器，其成功研制打破了国外长期对大型换热器的垄断格局［2］，但随着科学和生产技术的发展又促使高强度紧凑式换热设备的发展，新型结构的换热设备不断出现，以降低材料消耗，提高传热效率。 对多孔介质内流体的流动和传热传质的研究是当前传热领域较为热门的研究方向之一，至今已发展和形成了多孔介质的流体动力学和传热传质理论［3］。国外已经开始对开孔金属泡沫的隔热性能展开了研究［4－6］。在国内，李盈海等［7］对在金属泡沫管内的强制对流换热进行了二维数值模拟;陈振乾等［8］建立了泡沫金属内冻结相变传热过程的传热模型，模型中综合考虑了泡沫金属中骨架和流体介质不同换热特性的影响;李菊香等［9］对管间填充多孔泡沫金属的方形管壳式换热器内流体沿管间轴向强制层流的流动和恒热流密度的传热进行了理论研究，结果表明，填充泡沫金属后传热效果明显，且多孔泡沫金属的孔隙率越小，对对流传热起到的加强作用也越大;付全荣等［10］对空气流经两种铝泡沫金属填充方形套管换热器内部的对流传热进行了试验研究，且通过综合评价换热器压降和传热性能，发现填充铝泡沫后换热器的综合性能有极大的提高。在国外，Kim等［11］对铝金属泡沫翅片的换热性能与传统翅片相比，结果发现前者的传热性能明显优于后者。文中提出一种新型紧凑式泡沫金属填充的板式换热器，并对其传热特性进行了试验研究，结果表明，该换热设备具有较高的换热效率和较大的工程实用价值。 1·换热器结构 换热器主体结构如图1所示。 冷、热空气分别从换热器的两个方向进入，在中间的泡沫金属填充区进行充分换热，泡沫金属填充区交叉填充8层铁镍泡沫金属进行对介质的强化传热(如图2所示)，并在换热器的每个进出口设置传感器进行介质参数的测定。 该换热器最大的特点为:将原板式换热器的波纹介质的填充材料替换为具有规则形状且具有更大比表面积的轻型铁镍泡沫金属材料。该板式换热器相比传统的板式换热器具有更高的传热效率，同时具有更紧凑的设备结构以及更轻的重量。另外，泡沫金属的空密度与孔隙率可以根据不同的工艺要求进行制造和更换，使换热器能在各种工况下应用而无需更换整套换热设备;由于泡沫金属填充材料具有规则的结构，使填充及更换过程也更加方便、快捷。 2·试验装置及方法 2．1充填材料 孔密度与孔隙率为泡沫金属材料的两个重要参数。泡沫金属孔密度(PPI)，即每英寸上孔的数目(1 in=0．0254 m)，公式表示为: 孔隙率ε是泡沫金属中孔隙或孔洞的体积占它的总体积的份额，取决于泡沫金属的类型，孔隙率可以从接近零到几乎等于1的范围内变化。按照孔隙率的定义可将其表示为: 式中ε———多孔体的孔隙率 Vo———泡沫金属的总体积 Vp———泡沫金属中孔隙所占体积 ρ金———金属密度 ρ试———试样密度 本试验采用如图3所示的铁镍泡沫金属材料，其尺寸为250 mm×250 mm×15 mm，孔隙率为0．98，孔密度分别为PPI5，PPI15和PPI25的方形泡沫金属，填充到板式换热器进行强化传热试验。 2．2试验装置及方法 试验装置如图4所示，压缩空气经电加热器通入双向填充泡沫金属的板式换热器一侧，另一侧通入未经电加热器加热的压缩空气，进行空气－空气换热。冷热空气进、出口处分别设有压力传感器和温度传感器，用于测量空气进、出口的压力和温度;热空气入口和冷空气入口处分别连通玻璃转子流量计，对进口流量进行调节控制;冷空气的进、出口之间接入玻璃管压差计，进行空气进、出口压差的测量。板式换热器外壳和电加热器外壳均采用石棉层进行保温。 试验所需要测量的主要参数为:进入板式换热器的冷空气和热空气的体积流量、冷空气和热空气的进、出口温度以及冷、热空气的进、出口压差等。本试验冷、热空气的最大空气流量均为60m3/h，采用型号LZB－40、精度1．5%、量程6～60m3/h的LZB玻璃转子流量计进行测量;温度变送器采用一体化现场显示温度变送器EX，其型号:SRWZ－2480，分度号:Pt100，量程:0～250℃，精度:±0．2，输出电源采用24 V DC，输出电流4～20 mA。由于泡沫金属的流动阻力特性，其在提高传热性能的同时，必定会引起一定程度的压降，因此需要分别测量空气进、出口的压力，以确定压差进行比较分析。在板式换热器的冷、热空气进、出口均置一压力变送器，用于进、出口压力的测量。该压力变送器是精度为0．5%FS的扩散硅压力变送器，型号:MD－801压阻式，输出信号:4～20 mA，量程:0～0．6 MPa，采用DC±24 V供电方式。 3·试验结果分析 不同空气流量与填充不同孔密度泡沫金属下板式换热器的传热效率试验结果如图5所示。可以看出，在填充铁镍泡沫金属后，板式换热器的传热效率大大增高;随着空气流量的增大，板式换热器的传热效率逐渐降低;随着孔密度的增大，传热效率也逐步增高。 图6示出泡沫金属填充板式换热器的压降测试试验结果(图中横坐标为冷、热空气流量，纵坐标为冷空气进、出口之间的压降)。可以看出，压降随着空气流量的增大而增大，并且基本成线性关系;在填充不同孔密度的泡沫金属下，孔密度越大，流动阻力也越强，进而压降也越大。但总体而言，板式换热器中填充泡沫金属后对空气的流动阻力并不是很大。 因此，通过试验研究可以得出: (1)由于流体流经填充泡沫金属会发生复杂的三维扰动，进而强化了传热效果，使板式换热器的换热性能进一步提高; (2)在相同孔隙率下，孔密度越大的泡沫金属强化传热的试验效果越明显; (3)综合考虑填充泡沫金属带来的动力损失和传热效率的提高，可以发现，板式换热器在填充泡沫金属后能在较小的压力损失下使传热效率得到显著提高，从而整体上增强板式换热器的传热效率; (4)由于所填充的泡沫金属材料具有比表面积大、结构紧凑、质量轻、形状规则等优点，使板式换热器在满足一定工艺要求的基础上，整体结构紧凑、质量更轻、体积进一步减小; (5)由于泡沫金属材料能切割成各种规则形状，因此使填充过程更加方便、简捷，从而解决传统换热器的维护不便以及费用昂贵等问题，并且能随意更换不同特性的泡沫金属填充材料，因此使板式换热器能非常简便地适应不同工况下工作，大大减小了维护以及更换费用。 4·结语 以空气为工质，对不同孔密度的铁镍泡沫填充板式换热器内管的换热进行了试验研究，试验结果显示板式换热器在填充泡沫金属后能在较小的动力损失下使换热效率得到显著提高，从而整体上进一步增强板式换热器的换热效率，而且整体结构紧凑，易于维护，并能根据不同工艺要求来选择与更换泡沫金属填充材料，使板式换热器使用价值进一步扩大，具有较大的工程实用价值。 参考文献: ［1］季中敏，刘晓东．板翅式换热器表面传热与流阻特性数值模拟［J］．节能技术，2010，3(2):107－113． ［2］楼广治．国内首台超大型换热器的研制及技术难点分析［J］．压力容器，2010，27(5):26－31． ［3］崔艳雨，陈世一，梁静华，等．确定开泵方案的两阶段优化法［J］．石油化工高等学校学报，2005，18(4):66－68． ［4］Zhu Huadong．Design of Metallic Foams as Insulationin Thermal Protection Systems［D］．Florida:Universityof Florida，2004． ［5］Crittenden P E，Cole K D．Design of Experiments for Thermal Characterization of Metallic Foam［J］．Journalof Thermo Physics and Heat Transfer，2005，19(3):367－374． ［6］Venkataraman S，Snakar B V．Analysis of SandwichBeams with Functionally Graded Core［A］．Washing-ton:Proceedings of the 42nd AIAA Structures，Structur-al Dynamics and Materials Conference， Seattle，2001． ［7］李盈海，陶文铨，孙东亮，等．金属泡沫管内强制对流换热的数值模拟［J］．西安交通大学学报，2008，42(3):261－264． ［8］陈振乾，施明恒．泡沫金属内流体冻结相变的传热过程［J］．化工学报(增刊)，2006，45:178－181． ［9］李菊香，涂善东．多孔泡沫金属换热器内流体的流动和传热分析［J］．石油化工高等学校学报，2008，21(2):80－83． ［10］付全荣，段滋华，张铱鈖，等．铝泡沫填充在内管的套管换热器内的流动和换热特性研究［J］．压力容器，2010，27(5):1－5． ［11］Kim SY，Peak JW，Kang BH．Flow and Heat Trans-fer Correlations for Porous Fin in a Plate－fin HeatExchanger［J］．Journal of Heat Transfer，2000，122:572－578． |
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