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盐雾腐蚀对铜翅片换热器空气侧压降特性的影响

点击:2101 日期:[ 2014-04-26 21:14:20 ]
                    盐雾腐蚀对铜翅片换热器空气侧压降特性的影响                       浦 晖1, 丁国良1, 胡海涛1, 高屹峰2     (1.上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240; 2.国际铜业协会上海代表处,上海200020)     摘 要:为了研究盐雾腐蚀对铜翅片换热器空气侧压降特性的影响,对4种不同腐蚀程度的铜翅片换热器进行了实验,比较分析了不同雷诺数下,经过不同盐雾腐蚀程度的换热器和新换热器的压降特性.为了分析翅片亲水性的变化对压降的影响,对铜翅片静态接触角和动态接触角进行测试.结果表明,随着腐蚀时间的增加,铜翅片的静态和动态接触角逐渐增大;换热器空气侧压降逐渐增大,摩擦因子逐渐减小;当风速在0.5~2.0 m/s时,空气侧压降最大增加17.5%~21.6%.     关键词:盐雾腐蚀;翅片管;铜翅片;压降     中图分类号:TK 124   文献标志码:A     铜翅片铜管换热器主要应用在沿海、船舶行驶环境的制冷系统和化工设备[1-2]中,与铝翅片铜管换热器相比,铜翅片铜管换热器具有较强的抗腐蚀和抗菌能力.由于在沿海、船舶行驶和化工设备所处环境的空气湿度和盐的含量较高,故应用在上述环境中的铜翅片铜管换热器经过长时间运行后会产生不同程度的盐雾腐蚀.盐雾腐蚀会改变翅片材料的表面特性,腐蚀后产生的腐蚀污垢会影响翅片的亲水性和换热器的空气侧压降特性.在已有对铜翅片的研究中,主要分析经过盐雾腐蚀后换热器材料的强度变化和微观机理[3-4].对铜翅片亲水性的研究,主要集中分析铜翅片亲水处理的方法.Boehmite方法是目前应用最广泛的铜翅片表面亲水处理方法,经过Boehmite方法处理后的铜翅片后退接触角可以从45°减小到20°,表明铜翅片亲水性得到明显改善[5].慎利峰等[6]开发一种亲水处理工艺,实验表明,经过亲水处理后的铜翅片亲水性得到改善,但经过亲水方法处理后的换热器与未经过亲水处理的换热器换热量相当.在已有的盐雾腐蚀对换热器压降性能影响的研究文献中,目前还主要集中在经过盐雾腐蚀后铝翅片铜管换热器压降性能的变化[7-8],还未发现关于盐雾腐蚀对铜翅片铜管换热器压降特性的影响研究工作.     本文的目的是通过实验的方法,对经过盐雾腐蚀和未经过盐雾腐蚀的铜翅片铜管换热器在不同风速下,测试其压降性能随盐雾腐蚀时间增加的变化情况.为了分析引起压降变化的原因,本文对未经过盐雾腐蚀和经过盐雾腐蚀的铜翅片静态接触角、动态前进接触角和动态后退接触角分别进行测量,分析接触角变化对空气侧压降的影响.     1 实验对象和装置     1.1 实验对象     实验中采用4个人字波纹翅片管换热器,其结构采用紫铜管外嵌整体式铜翅片,如图1所示.图中,s、b、h1、h2和θ分别为翅片间距、翅片厚度、翅片投影长度、翅片高度和波纹角.其中,3个铜翅片管换热器分别在盐雾环境中腐蚀处理,另外1个换热器不进行盐雾腐蚀,用来与3个腐蚀换热器进行压降性能的对比.腐蚀实验按照ISO 9227:2006标准执行.实验条件:氯化钠溶液浓度为(50±5) g/L,pH值保持在7.0±0.2;试验箱箱内温度保持在(35+1)°C,试件与垂直方向成20°±1°夹角摆放;喷雾量控制在(1.0±0.2)mL/(80 cm2·h)内.在上述条件下对3个铜翅片铜管换热器分别腐蚀100、200和400 h.腐蚀后的翅片与未腐蚀的翅片照片如图2所示.                                 1.2 测试装置     1.2.1 接触角的测量 实验分别测量水滴在铜片表面的静态接触角、前进接触角和后退接触角.本实验采用躺滴法测量,测量仪器简图如图3所示.测量原理为:测量静态接触角时,将液滴滴到被测试样表面,液滴稳定后测量液滴与被测试样表面的夹角即为静态接触角;测量动态接触角时,通过微量注射器往液滴中逐渐注入液体,当液滴与铜片的接触线移动时,所测量的角度为前进接触角.同样,通过微量注射器往液滴中逐渐抽出液体,当液滴与铜片的接触线移动时,所测量的角度为后退接触角.测量接触角时,在被测样本表面随机选择5个测量点,取5个测量值的平均值为实际接触角.                     1.2.2 空气侧压降的测量 空气侧压降实验装置如图4所示.它是由封闭式空气回路和冷却水回路组成.换热器的空气侧压降由安装在测试段两侧的压差传感器来测量,空气的流量由喷嘴室来测量,入口空气的干球温度和相对湿度通过加热器和加湿器来调节.有关实验原理和装置的详细介绍参见文献[9].空气侧压降性能测试实验工况如下:空气侧入口温度ta,in=(27±0.2)°C,空气侧入口相对湿度RHa=(50±2)%,空气侧入口风速va,in=0.5,1.0,1.5,2.0 m/s,水侧入口温度tw,in=(5±0.5)°C.对实验台进行了误差分析,分析结果如下:空气侧压降的误差限为±0.4%≤Δp≤±3.3%,摩擦因子的误差限为±4.0%≤f≤±8.7%.有关误差分析的详细介绍参见文献[10].                     3 实验结果分析     3.1 盐雾腐蚀对翅片亲水性的影响     由于经过盐雾腐蚀后翅片表面亲水性发生变化,故为了分析翅片亲水性变化对空气侧压降的影响,分别对未经盐雾腐蚀和经过100、200、400 h盐雾腐蚀后的铜翅片接触角进行测试.图5所示描述了水在翅片表面的静态接触角(θs)、动态前进接触角(θa)和动态后退接触角(θr)的变化情况.由图可见,θs随盐雾腐蚀时间的增加而增大.对于未经盐雾腐蚀的翅片,水和翅片的θs=94°,经过200 h盐雾腐蚀后的翅片,θs增大到125°;经过400 h盐雾腐蚀后的翅片,θs增大到144°,比未经盐雾腐蚀的翅片接触角增大53.2%.另外,θa和θr均随盐雾腐蚀时间的增加而增大.对于θa,水和未经盐雾腐蚀的翅片的θa=98°,经过400 h盐雾腐蚀后的翅片,θa增大到158°,比未经盐雾腐蚀的翅片的θa增大61.2%.对于θr,水和未经盐雾腐蚀的翅片的θr=48°,经过400 h盐雾腐蚀后的翅片,θr增大到67°,比未经盐雾腐蚀的翅片的θr增大18.8%.θr对换热器翅片表面冷凝水的冷凝形态起主要作用[4],θr的增大表明翅片的亲水性随盐雾腐蚀时间的增加而逐渐恶化,进而在析湿工况下增大空气侧压降.                    3.2 盐雾腐蚀对压降特性的影响     图6描述了当va,in=0.5~2.0 m/s,RHa=50%,ta,in=27°C时,盐雾腐蚀时间对空气侧压降的影响.                    由图6可见,对未经过盐雾腐蚀的换热器和经过100、200和400 h盐雾腐蚀后的换热器,空气侧压降随腐蚀时间的增加而增大.当风速为0.5 m/s时,与未经过盐雾腐蚀的换热器相比,经过盐雾腐蚀的换热器空气侧压降最大增大17.5%;当风速增大到2.0 m/s时,经过盐雾腐蚀的换热器比未经过盐雾腐蚀的换热器的空气侧压降增大21.6%.这主要是因为:由图4可知,经过盐雾腐蚀后的翅片θr随腐蚀时间的增大而增大,而θr越大,在翅片间越容易附着水滴和形成水桥,从而增大压降.另外,经过盐雾腐蚀的换热器翅片表面由于覆盖了不均匀的腐蚀污垢(铜锈),覆盖的腐蚀污垢也会起到增大空气侧压降的作用.     图7描述了盐雾腐蚀时间对摩擦因子f[11]的影响.由图可见,f随腐蚀时间的增加而减小,并且在相同雷诺数(Re)时,腐蚀时间越长,f越大.f的增加主要是由于翅片的θr随盐雾腐蚀时间增大而增大,使翅片间水桥增多的结果.                      4 结 论     (1)铜翅片的静态接触角、动态前进接触角和动态后退接触角均随腐蚀时间的增加而增大,因此,翅片的亲水性随腐蚀时间的增加而变差.对于未经过腐蚀的新翅片,静态接触角为94°,动态前进接触角为108°,动态后退接触角为48°.经过400 h盐雾腐蚀后,静态接触角、动态前进接触角和后退接触角分别增大53.2%、61.2%和18.8%.     (2)铜翅片换热器空气侧压降会随腐蚀时间的增加而增大,摩擦因子f随腐蚀时间的增加逐渐减小.对于经过100、200和400 h腐蚀后的铜翅片换热器,与未受腐蚀换热器相比,当风速在0.5~2.0m/s时,空气侧压降最大增加17.5%~21.6%.     参考文献:略
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