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每管六涡扁长椭圆管换热板芯片间距对强化传热的影响点击：1903 日期：[ 2014-04-26 21:35:30 ] |
| 每管六涡扁长椭圆管换热板芯片间距对强化传热的影响 许建林 梅元贵 王潇芹 （兰州交通大学热能与动力工程研究所兰州730070） 【摘要】基于相关文献提出的冷凝器分布参数模型，运用该模型分析了不同来流分布、不同冷媒流量、不同流程布置以及不同换热管排数时来流不均匀性对冷凝器性能的影响，得出了一些实用性的结论，可用来预测来流不均匀对冷凝器性能造成的影响。所有研究表明：不同的空气来流分布形式对冷凝器性能的影响程度不同，不均匀程度的大小可以由不均匀因子τ来衡量，当来流不均匀程度增大时，不均匀因子τ增大，冷凝器换热性能恶化，整体性能下降。 【关键词】涡产生器；强化传热；传质/传热比拟；椭圆管换热器 中图分类号：TK32文献标识码：A 文章编号：1671-6612（2008）02-034-04 0·引言 管翅式换热器在工业中已经有了较为广泛的应用，特别是翼形涡产生器用于板式翅片管换热器的强化传热，可通过不断“形成发展边界层、产生纵向涡旋、激励流体扰动”的方式，达到大幅度提高传热效率而阻力增幅不大的目的，进而改善换热表面性能[1，2]。虽然管翅式换热器大多使用圆管，然而实践证明，采用椭圆管可有效地减小翅片侧流体的流动阻力，降低能耗[3，4]。通过人们对横掠椭圆管的换热及流动特性所进行的早期研究，对其换热性能有了初步认识，但由于椭圆管制造困难及承压能力较低，在工程上并未得到广泛应用[5]。 近年来，随着对节能工程的日益重视及制造技术的不断提高，椭圆管及其它低阻力管形又重新引起了工业界的兴趣，椭圆光管以及椭圆管管翅式换热器传热与阻力性能的研究日益活跃，如何有效提高椭圆管换热器传热性能已成为一个重要的课题。 Fiebig[6，7]与Biswas[8]等人对椭圆管管翅式换热单元的涡产生器强化传热特性进行了数值模拟研究，李庆领等人在文献[5]中对顺排椭圆光管换热器中管排影响换热与阻力的情况进行了实验研究。对多排椭圆管、不同片间距以及涡产生器攻击角、翼高等结构参数条件下的数值研究或试验研究的公开发表结果甚少。热能与动力工程研究所在该方面进行了一些有益的工作。文献[9]给出攻击角变化时，椭圆管管翅式换热器的传热与阻力性能参数。本文在给定翼高比、三种攻击角和片间距时椭圆管管翅式换热器板芯结构进行了实验研究，得出了固定翼高比、相同攻击角时片间距对传热和阻力的影响规律，为换热器设计提供了一定的理论依据。 1·实验装置及试验板芯 1.1实验装置 本实验在引风式风洞中进行，风洞由入口段、整流段、收缩段、试验段、测速段、动力段组成。空气温度测点在风洞入口，并用0.1℃刻度水银玻璃棒温度计测量；试验段横截面尺寸256×120mm，长360mm；试件压差阻力的静压测试孔为直径1.0mm的小孔；压差用量程为0.02mmH2O~250mmH2O的斜管式微压计测量；通过变频调速装置控制引风机电机转速可调节测试系统的空气流量，并由笛型测压管测量风速，进而计算出空气流量；萘升华量用精度为0.1mg的分析天平称量。 1.2试验板芯 本实验中所用的试验板芯如图1a所示。用厚度δ=3mm铝板模拟实际换热翅片，按照相似理论将实际板芯结构尺寸作适当的放大。试验板芯中椭圆管为长短轴之比a /b较大的扁长椭圆管，短轴为2b，长轴2a=10b。片间距有两种，FP=0.875b，1.042b；横向管节距1S=8b；纵向管节距2S=11b；图1b为三角翼型涡产生器及其安装定位图。试验中攻击角θ=25°、35°、45°，翼高与板间距之比即翼高比H/FP 1.0；该试件为三排错排扁长椭圆管板翅式试验板芯。 2·实验方法及数据处理 试件传热性能采用萘升华传质/传热比拟法测定。这是一种成熟的测试技术，在国内外对流换热实验研究中均有应用[10，11]。试验过程可分为准备、测试、数据处理三个步骤，实验方法与数据处理方法同文献[9]。 3·数据结果与讨论 3.1实验的正确性及对称性 图2（a）所示为5次不同日期、不同环境情况下，光板实验与资料[12]中的公式计算所得结果的比较。 从中可以看出Nu的实验结果与计算结果符合得比较好。因此可以认为本实验的实验结果是正确的。 图2（b）为光板实验时前、中、后三块以及上下两层共六块铸萘板的比较。从中可以看出其相互的对称性较好。 3.2翼高变化对传热特性的影响 图3（a~c）给出了在固定翼高比、三种攻击角时片间距的变化对传热性能的影响。从中可以看出，对无涡产生器的椭圆管光管，片间距增大时Nu数相应提高。对于具有相同翼高比、攻击角的涡产生器强化板芯，FP=1.042b时均较FP=0.875b时的Nu数要高。同时可见，Nu数提高幅度也不尽相同。在翼高比为1.0、攻击角为45o时，两者之差最大，达到14%。进一步的分析可以看出对于加涡产生器板芯在不同的攻击角情况下，片间距增大时Nu提高的快慢程度也不相同：攻击角为45o时最快，35o时次之，25o时最慢。 Nu数均随着片间距增大而增大，其原因可解释为：对于光板来说，随着板间距的增大，受椭圆管前端滞止而产生的旋涡的流动空间增大，椭圆管的错排布置形式为有涡旋流的进一步扰动提供了条件，所以换热得到了强化；对于强化板芯来说，随着板间距增大，产生于涡产生器的涡旋运动都有了更大的自由流动空间，受上下换热板面的抑制作用减小，运动过程中波动幅度加大，对未加设涡产生器一侧换热板面的冲刷作用加剧，使气侧热阻得到大幅度降低，因而提高了对流换热系数[13]。 3.3翼高变化对阻力特性的影响 图4（a~c）给出了在不同攻击角时片间距变化对阻力系数的影响。 对于一定的攻击角，易见阻力也随着片间距FP的增大而增大。因为FP增加，虽然为流体提供了更大的自由流动空间，但涡旋在运动过程中的波动幅度也在加大，对换热板面的冲刷作用因此加剧，从而导致整个系统的迎风阻力上升。所以随着板间距的增加阻力系数f也有较大幅度的增加。 虽然翼高比增加时，Nu数和f都增大，但他们的增幅并不成比例，这就要求在设计和选用该种方式强化的芯片时需按实际情况从传热特性和阻力特性两个方面综合考虑。尤其是若考虑到换热器的整体体积因素，片间距的增大虽然提高换热表面的换热能力，但可能带来整体换热量的变化，此时宜作优化设计。 4·结论 通过以上研究与分析，可以得出以下结论： （1）对有无涡产生器强化的长椭圆翅片管换热器，在相同雷诺数、翼高比和攻击角的情况下，随着片间距的增加换热性能也相应提高，即Nu数随片间距的增加而增加。在有涡强化、翼高比为1.0、攻击角为45o时，FP=1.042b时较FP=0.875b高14%。 （2）涡产生器翼高的变化对换热板芯的阻力特性也有较大的影响。片间距增加时，阻力系数f有所提高。 参考文献：略 |
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