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铝制板翅式换热器热工性能的试验研究点击：2273 日期：[ 2014-04-26 21:35:57 ] |
| 铝制板翅式换热器热工性能的试验研究 倪利刚 (合肥通用机械研究院，安徽合肥230088) 摘要：铝制板翅式换热器以其高效、紧凑、适应温度范围广等突出优点，得到了越来越广泛的应用，其主要以气体－液体进行热交换为主。针对空气－乙二醇进行热量交换的同一种结构不同翅片类型的铝制板翅式换热器的传热性能与阻力特性进行了试验研究。 关键词：板翅式换热器，传热性能，阻力特性年 在目前的工业生产过程中，尤其是化工工业生产中，热交换工艺过程是必不可少的，热交换设备的使用非常广泛。 热交换设备发展的最初阶段主要有蛇管换热器、套管换热器，这些换热器由于制造工艺和技术水平的限制，具有结构简单、换热面积小、体积大、换热效率低等缺点。随着制造工艺的发展和技术水平的提高，出现了管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器等各种换热器，这些换热器换热面积要大得多，传热效果也较好。现在换热器的种类已经非常多，并且每种换热器均以其各自的特点满足着不同场合的使用要求。 板翅式换热器因其增加了2次传热表面使得传热效率得到了很大的提升，其中铝制板翅式换热器以其传热效率高、单位体积换热面积大、质量轻、结构紧凑、适应温度范围广等特点在化工、石油化工、和其他许多工业领域中得到广泛的应用。 在气－液结构型式的换热器中，由于液体侧流体密度比气体侧流体密度高得多，其传热速率也远远高于气体侧的低密度流体，因此气－液结构型式的换热器换热性能往往取决于气体侧的传热速率。气体侧的传热速率一方面与气体的流速有关，另一方面也与气体侧的翅片型式有关。众所周知增加空气的流速，可以提高单位表面积的传热速率，传热速率的变化要低于速度的一次冥;而气体流速的增加也带来了更多的摩擦阻力，其阻力的变化达到了流速的2～3次方。不同的翅片对流体流动过程中的扰动也是不同的，在相同流速下，其传热速率及流体的阻力也是不同的，本文中我们选了3种翅片在液体侧结构不变的情况下对试件进行了传热性能与压力特性的试验研究。 1·铝制板翅式换热器的结构与翅片种类 铝制板翅式换热器的外形可以根据使用场合的空间形状而各不相同，但其基本组成部分却是相同的。铝制板翅式换热器由封头、接管、芯体组成。封头是由铝质型材做成的，封头上有接管、泄放口、吊耳等配件，与芯体焊接成一体，主要起到一个缓冲来自接管的流体及将流体均匀分配到芯体中各个通道的作用。芯体是由分层隔板、封条、各种型式的翅片钎焊在一起形成的。其中分层隔板与封条将整个芯体分成不同的通道，通道里根据需要夹有各种不同的翅片，翅片一方面可以作为2次传热表面增加传热性能，另一方面还可以作为通道之间的支撑，增加换热器的承压能力。 经常使用的翅片型式很多，大致可分为平直型、锯齿型、波纹型、错齿型、百页窗型等，相对于平直型翅片，其他几种翅片增加了流体流动的雷诺数，增大了传热系数，提高了传热效果，同时也增加了流体的流动阻力。 本文所研究的换热器外形为长方体，翅片为20°波纹型、两种锯齿型。具体尺寸见表1。换热器外形见图1。 换热器的实验装置示意如图2所示。 气体侧，空气通过空气稳流器经过渡段进入测试段，测试段风洞尺寸与换热器芯体尺寸相同，以保证测试的准确性。在测试段中通过铂热电阻测定空气进出口温度(T1i、T1o)，通过电子测风仪测定风洞中风速(v1)，通过水柱U型压差计测定气体侧压力降(ΔP1)。测试段之后连接风机，将经过换热器换热过的空气排到外界大气中。 液体测，液体侧流体为乙二醇，乙二醇盛装在储槽内，储槽外部有电加热器加热，以保证液体侧入口温度的稳定。以泵作为动力源，使乙二醇在换热器中循环，通过阀门控制液体侧流量，用转子流量计测量液体侧流量/速(v2)。在换热器进出口处用玻璃温度计来测定液体侧进出口温度(T2i、T2o)，通过水银U型压差计测定液体侧压力降(ΔP2)。 3·试验方法 首先分别固定液体侧流量(v2)在3个不同点，通过调节气体侧流量由小到大，得到3条传热性能曲线。 固定液体侧流量为0．25 m/s，调节风速，测出气体侧阻力特性曲线。固定空气侧流速为10 m/s，调节液体侧流量，测出液体侧阻力特性曲线。 4·数据处理方法与处理结果 4．1数据处理 由空气侧进出口温度T1i、T1o求出空气侧平均温度T1m(℃) T1m(T1i+T1o)/2 由液体侧进出口温度T2i、T2o求出液体侧平均温度T2m(℃) T2m(T2i+T2o)/2 由T1m、T2m分别查出气液参数如下: 空气参数:密度ρ1 kg/m3， 比热容Cp1 kJ/kg·K， 乙二醇参数:密度ρ2 kg/m3， 比热容Cp2 kJ/kg·K， 由所查数据得到气液侧质量流量分别为:kg/s M1 v1×A1×ρ1 M2 v2×A2×ρ2 A1为空气测试段横截面积 A2为乙二醇测试段管子横截面积 分别求出空气侧与乙二醇侧传热量:J Q1 Cp1×M1×(T1o－T1i) Q2 Cp2×M2×(T2i－T2o) 平均传热量Q(Q1+Q2)/2 热平衡误差E(Q1－Q2)/Q×100%(测试中控制每个测试点热平衡误差不超过5%。) 求取传热算术平均温差ΔT(℃) ΔT1 T1o－T1i ΔT2 T2i－T2o ΔT(ΔT1－ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2) 总传热系数K Q/A/ΔT×1000 W/m2·KA为换热器的计算传热面积 4．2数据处理结果 4．2．1波纹型铝制板翅式换热器3个不同液侧流速下的传热系数曲线如下图3 4．2．2矩齿形1铝制板翅式换热器3个不同液侧流速下的传热系数曲线如下图4 4．2．3矩齿形2铝制板翅式换热器3个不同液侧流速下的传热系数曲线如下图5 4．2．4空气侧在不同流速下的压力降曲线如图6 4．2．5乙二醇侧在不同流速下的压力降曲线如图7 5·结果分析 通过图3、图4、图5可以看出:①增加液体侧流量对换热器总的传热系数K的影响不大;②增加气体侧空气的流量会明显提高换热器总的传热系数，但其增幅只有空气流速的0．6次方左右。③传热系数与翅片型式有关，其中波纹型与翅片1型在相同空气流速下传热系数相当，而翅片2型换热器的传热系数要略低一些。 通过图6、图7可以看出:流体阻力随流体流速增大而增大，其增幅接在速度的2次方左右。 参考文献 ［1］周昆颖，陈罕．紧凑换热器［M］．北京:中国石化出版社，1998，8 ［2］JB/T 10379－2002《换热器热工性能和流体阻力特性通用测定方法》中华人民共和国国家经济贸易委员会2002年12月 ［3］JG/T 21－1999《空气冷却器与空气加热器性能试验方法》中华人民共和国建设部1999年6月 |
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