螺旋折流板换热器
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传统分离式热管换热器的传热特性研究点击：2085 日期：[ 2014-04-26 21:14:29 ] |
| 传统分离式热管换热器的传热特性研究 苏俊林，陈岚，王震坤 （吉林大学热能工程系，长春130022） 摘要：传统分离式热排管换热管的研究大多数都针对竖直并联型，而对水平排管串联型热管的研究，目前还未见报道。为此，对高强化传热分离式热管换热器的传热性能进行了实验研究，得到了换热器冷凝侧及蒸发侧传热系数的经验公式，以及外部通道对流换热表面传热系数的准则方程式。其研究成果可作为干燥系统中此种换热装置设计的参考依据。 关键词：能源与动力工程；分离式热管换热器；试验；充液率；传热特性 中图分类号：TK224.1+2文献标识码：A文章编号：1003─188X(2006)07─0161─02 0·引言 热管作为高效传热元件在热能利用领域中发挥了重要作用[1]。由热管组成的热管换热器有独特的优点：高效传热、低流动阻力、质量轻、体积小，且无运动部件、恒温特性好等[2]。热管换热器已经在农机工程的热风干燥领域中得到广泛应用并收到良好效果[3]。近年来，由于其结构优势，分离式热管换热器逐渐受到人们的重视。 分离式热管换热器的工作原理与整体式热管换热器基本相同。但由于其蒸发段和冷凝段的分离，与单管相比具有诸多优点[4]。传统多数都针对竖直并联型分离式热管换热器进行研究，而对水平排管串联型热管的研究，目前还未见报道。因此有必要对其进行研究，以便为实际应用提供合理依据。本文对这种特殊结构分离式热管的性能进行了实验研究，根据实验结果给出了最佳充液率，并在最佳充液率下以几种有机物为工质，对换热器的传热性能进行了分析和讨论，并提供若干经验公式。 1·实验装置 本实验所用分离式热管换热器如图1所示。其分别由蒸发器、冷凝器、上升管、下降管等部件组成。蒸发器与冷凝器的高度差为0.5m，足以克服换热器内的阻力损失，以保证正常运行。在下降管的上部设有集气器、压力表和排气阀，同时排气阀处还作为注液入口。在下降管的下部装有排液阀，每次实验完毕由此排出液态工质。 本文进行的分离式热管换热器传热特性的实验研究尚未见报道。它的不同之处在于换热器的结构不再是竖直单管并联型，而是水平排管串联型，没有上下集箱。内部通道横截面如图2所示。内部有纵向肋，对内部工质的沸腾换热及冷凝换热均有很大的强化作用。排管外部钎焊有履带型的翅片，翅片上开有一定倾角的小百叶窗。此结构不但极大地增加了单位体积的换热面积，也有效地加强了外部热流体和冷流体的扰动，显著地强化了外部传热。以上介绍的装置均由铝合金制成。 实验装置中有两组离心式风机。风机的进风口处设置了调风板，可通过调整进风口大小来实现风速在12m/s以内的连续调节。风机出口为190mm×115mm的矩形接管，经过长250mm的过渡段，与180mm×180mm的方型风道相通，风道全长1.25m。将分离式热管换热器的冷凝器与蒸发器分别置于上下风道中。其中，下风道由以下几部分构成：一是过渡段；二是加热段（内装4根2000W电阻丝，加热段之所以放在风道前端，一方面是为了使后方风温均匀，另一方面是为了减少热辐射给系统造成的误差）；三是整流段（内置整流隔栅）；四是平稳段；五是前测量段（在风道上方均匀开设3个测量孔，用来测量风道中的风速；同时，在此横截面中还均匀布置了9对镍铬—镍硅热电偶，测量来风风温）；六是工作段（换热器上均匀铺设有热电偶，如图1中箭头所示）；七是后测量段（9对热电偶测量出口风温）。本实验主要测量的参数是温度和风速。温度由40对镍铬—镍硅热电偶测量，且与两台多点记录仪相接，可循环显示40个测点的温度，亦可锁定一点，观察其随时间的变化，此多点记录仪的精度为0.1级。风速由热线风速仪测量，由插入测量孔探头的深度进行控制测点位置，其测量精度为1级。 2·实验结果与分析 因为目前干燥过程的发展方向为大风量、低风温，本实验主要针对较低工作温度的应用场合，热风温度范围为50～o100℃。因此，选用了低沸点的有机工质，如甲醇、乙醇、乙醚、丙酮等。首先，以丙酮为工质，在7种不同的充液率下，对其进行最佳充液率的实验研究。研究表明：充液率在80%左右达到最佳状态，在65%～95%之间，传热性能变化不大。 通过对乙醚、甲醇、乙醇、丙酮等有机工质冷 凝侧实验数据的整理，回归得到以下经验公式为： 式中 Kc—冷凝侧的传热系数(W/m2·℃)； Vc—冷流体的流速（m/s）； qc—单位体积冷流体流过冷凝侧的换热量(J/m3)。 分离式热管换热器蒸发侧的传热系数，经过实验数据处理可得到如下经验公式： 式中 Ke—蒸发侧的传热系数(W/m2·℃)； Ve—热流体的流速(m/s)； qe—单位体积热流体流过蒸发侧的换热量（J/m3）。 分离式热管换热器的蒸发侧及冷凝侧与外部热、冷流体的对流换热表面传热系数可用实验得到的准则方程式进行计算。因为冷热流体均为空气，而且蒸发侧及冷凝侧流道形式一样，都是高度密集的百叶窗翅片通道，所以其准则方程式相同。通过实验数据处理，热阻分离拟合出以实验为基础的对流换热准则方程式为： 式中 Nu—努谢尔准则； Re—雷诺准则。 努谢尔准则表达式为 Nu=hD/λ (4) 式中h—冷（热）流体对流换热表面传热系数(W/m2·℃)； D—冷（热）侧外部流道的当量直径(m)； λ—冷（热）流体的导热系数(W/m2·℃)。 雷诺准则表达式为 Re=vD/μ (5) 式中v—冷（热）流体的流速（m/s）； D—冷（热）侧外部通道的当量直径（m）； μ—冷（热）流体的动力粘度(kg/m·s)。 3·结论 1)本文设计的分离式热管换热器，其结构新颖、紧凑，不但在热管内部进行了冷凝及沸腾换热的传热强化，而且在热管外部也采取了高强化传热结构。 2)对该形式的分离式热管换热器进行了充液率及传热特性实验研究，得到了冷凝侧及蒸发侧传热系数的经验公式及外部通道对流换热的准则方程式，可供工程设计使用。 参考文献： [1]G.P.Peterson.An Introduction to Heat Pipes[M].AWiley:Interscience Publication,1994:1-7. [2]庄骏,张红.热管技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000:338-353. [3]许思传,苏俊林,王震坤,等.粮食干燥用高效热管换热器的设计与实验研究[J].农业机械学报,1995,(3):75-80. [4]陈远国.分离式热管换热器的研究、应用与评价[A].第三届全国热管会议论文集[C].重庆:重庆大学出版社,1991:17-25. |
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