热管换热器
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带亲水层波纹翅片管换热器空气侧特性的参数影响分析点击：1876 日期：[ 2014-04-26 22:13:37 ] |
| 带亲水层波纹翅片管换热器空气侧特性的参数影响分析 张圆明 丁国良 马小魁 (上海交通大学上海200030) 摘要：为了确定翅片间距、管排数和人口空气相对湿度等参数对析湿工况下带亲水层波纹翅片空气侧特性的影响，对7个带亲水层的波纹翅片管换热器进行了试验研究，并分别以Co]bum换热因子和Famfi~摩擦因子来反映空气侧换热和压降特性。结果表明，换热和摩擦因子都随着翅片间距的减小而增大。换热因子随着管排数的增加而减小，而摩擦因子受管排数的影响不显著。当人口相对湿度增大时，换热因子增大，而摩擦因子则几乎不变。人口水温越低，则人口空气相对湿度对换热因子的影响越显著。 关键词：热工学；空气侧特性；试验研究；波纹翅片；析湿工况；亲水层 对于制冷空调领域常用的翅片管换热器，波纹翅片是应用最为广泛的翅片类型之一。当翅片表面温度低于空气的露点温度时，换热器空气侧会发生析湿现象。析出的冷凝水会粘附在翅片表面，从而恶化换热，增大空气侧压降。为了减小这种不利影响，通常在翅片表面涂上一层亲水层。亲水层可有效地改善冷凝水的排放_】J，降低空气侧压降_2j。 已有研究者对析湿工况下带亲水层百叶窗翅片_3 和条缝型翅片 一的空气侧特性进行了研究，研究结果表明析湿工况下亲水层的存在对翅片管换热器的空气侧特性影响显著。因此，湿工况下结构和空气状态参数对不带亲水层波纹翅片空气侧特性影响的结论_5 不能适用于带亲水层的波纹翅片，而目前还没有发现这些参数对带亲水层波纹翅片空气侧特性影响分析的研究报道。目前带亲水层波纹翅片的大量使用使其空气侧特性参数影响研究变得更加迫切。为了精确地设计带亲水层的波纹翅片管换热器或者评价它的性能，获取这种换热器在析湿工况下的实验数据以及分析结构和空气状态参数对空气侧换热和压降特性的影响是非常重要的。 工程中为便于直接算出换热系数，通常把它和几个相关的特征数集合在一起，用一个符号表示，称为换热因子 J。而换热器空气侧的压降特性通常用无量纲的Fanning摩擦因子 副表示。将通过实验方法测试带亲水层波纹翅片管换热器在析湿工况下的空气侧特性，分析翅片间距、管排数和人口相对湿度等对空气侧换热和摩擦因子的影响。 l 试验装置 试验装置如图1所示，由封闭式空气回路和冷却水回路组成。其中空气回路由风机、喷嘴室、加热器、加湿器、混合室和换热器等组成；冷却水回路由换热器、恒温槽、水泵和电磁流量计等组成。换热器人口空气的干球温度和相对湿度的控制精度分别为±0．2~C和±2％。人口水温的控制精度为±0．5cc。喷嘴室用来测量空气流量，依据ASHRAE 41．2标准_9 设计。两个压差传感器分别用来测量空气通过喷嘴和换热器的压降。采用温湿度传感器测量换热器出人口空气的干球温度和相对湿度。电磁流量计用来测量水回路的流量。两个K型热点偶用来测量出人口水温，六个K型热点偶被布置在换热器管外表面用来测量壁温，它们都经过标定，精度为±0．1oC。 试验对象为7个带亲水层人字波纹形翅片管换热器，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝合金翅片，如图2所示。详细的几何尺寸如表1所示。表面覆盖亲水层换热器的翅片表面经过双层涂覆处理，先在翅片表面涂上耐蚀层，然后再涂上亲水层，两层的材料均为有机树脂。利用测角仪测得反映亲水层亲水性能的接触角为15。 式(6)中空气侧的显热换热系数h 和管内侧的换热系数h 成为求解u的关键。这里针对空气侧换热系数h 进行研究。为了运用相似原理将翅片管换热器模型的研究结论推广到原型中去，空气侧换热性能通常由无量纲数Nu或Colbum换热因子j表示。采用j因子来描述空气侧的换热性能，其定义如下： 3.结果分析 析湿工况下带亲水层波纹翅片管换热器空气侧的换热和压降特性比不带亲水层换热器的要好。这是由于亲水层使凝结的冷凝水在翅片表面形成了一层水膜并快速流下。而对于不带亲水层的波纹翅片管换热器，冷凝水以水珠形式存在于翅片表面，这样相当于使得翅片表面变粗糙了。两种情况下空气侧换热都强于干工况下的，但前者增强换热的效果比后者好。下面将详细地分析翅片间距、管排数和人口空气相对湿度等对带亲水层波纹翅片管换热器空气侧特性的影响。 3．1 翅片间距对空气侧特性的影响 翅片间距对空气侧换热和压降特性的影响如图3所示。在测试的雷诺数范围内，换热因子和摩擦因子都随着雷诺数的增大而减小。在相同的雷诺数下，翅片间距越小则空气侧的换热因子越大。当D为7．21mm时， 为1．2mm换热器的空气侧换热因子比 为1．7mm换热器的要高9％ 23％；当D为9．74mm时， 为1．4mm换热器的换热因子比为1．8mm换热器的最高可增加50％。这个规律可以解释如下：当翅片间距增大时，翅片波纹顶点后的回流区也随着扩大，这就导致了换热性能的减小。 空气侧的摩擦因子随着翅片间距的减小而增大。对D 为7．21mm的换热器，当雷诺数小于1600时， 为1．2mm时的摩擦因子比 为1．7mm时的要高17％ 一26％。当雷诺数增大到一定值时(对D为7．21mm的换热器，大约为2200；对D 为9．74mm的换热器，大约为3000)，空气侧摩擦因子对翅片间距的变化不敏感。这是由于当雷诺数增大到一定值时，翅片间的水滴几乎全被空气夹带走，这样翅片间距对摩擦因子的影响就很小了。 从上面的分析可以看出，D 为9．74mm换热器的空气侧换热和摩擦因子受翅片间距的影响比D为7．21mm的换热器更大。也就是说，当换热器管外径越大，其空气侧特性受翅片间距的影响越显著。 3．2 管排数对空气侧特性的影响 管排数对空气侧特性的影响如图4所示。在相同的雷诺数下，空气侧的换热因子随着管排数的增加而减小。这是因为，当增加管排数后，管后涡流区的范围会扩大，其对换热的恶化作用将增强。从图中可以看到，管排数对空气侧摩擦因子的影响不显著。由于析湿工况下波纹翅片表面覆盖的亲水层可以使冷凝水从翅片表面快速流下，空气通过换热器的压降特性和干工况下的空气侧压降特性相似。而Wang C C等u 对干工况下波纹翅片管换热器的空气侧特性研究后发现，空气侧的压降特性几乎不受管排数的影响。因此析湿工况下管排数对带亲水层波纹翅片管换热器的压降特性影响不显著。 3．3 人口空气相对湿度对空气侧特性的影响 人口空气相对湿度对空气侧特性的影响如图5和6所示。可以看出，对D 为9．74mm的换热器，不论人口水温为6~C还是l2℃，空气侧的换热因子都是随着人口空气相对湿度的增大而增大，而摩擦因子则几乎不受人口相对湿度的影响。这是因为，波纹翅片的表面覆盖了亲水层，在翅面上形成的冷凝水能够快速流下而不会堵塞空气流道，当相对湿度增大时，有更多的冷凝水从翅片表面快速流下，它们对空气的扰动作用增强了换热，而空气侧压降由于空气流道依然非常畅通增加很小。Wang C C等 对带亲水层百叶窗翅片管换热器在析湿工况下的空气侧特性进行了研究，得出人口空气相对湿度对空气侧显热换热系数几乎没有影响，而空气侧压降则随着人口相对湿度的增大而增大。空气侧特性随着人口相对湿度的变化规律和本文的研究结果完全不同。可能的原因如下：百叶窗翅片和波纹翅片增强换热的机理是不同的，其中百叶窗翅片是靠破坏边界层来增强换热而波纹翅片是靠加长空气流道和增强空气混合来增强换热。在百叶窗翅片的百叶窗处很容易积聚冷凝水，当人口相对湿度增大时，积聚的冷凝水随着增多，导致压降随着增大。 如图5所示，当人口水温为12~C It~，对三种不同尺寸的换热器，相对湿度为80％时的换热因子比50％时的高出6％ 一15％。如图6所示，当人口水温为6~C时，相对湿度为80％时的换热因子比50％时的高出14％ 一32％。由此可以得出，当采用更低的入口水温时，入口空气相对湿度对换热因子的影响则更显著。这可能和下列现象有关：人口水温越低，则翅片表面就越低于人口空气的露点温度，会有越多的冷凝水在翅片表面形成，冷凝水对空气的扰动作用就更大。 4 结论 研究了析湿工况下7个带亲水层波纹翅片管换热器空气侧的换热流动特性。在分析了试验结果的基础上，可以得到下列结论： 1)换热器空气侧的换热和摩擦因子都随着翅片间距的减小而增大，但是当雷诺数增大到一定值时，摩擦因子对翅片间距的变化不敏感。当管径增大时，换热和摩擦因子受翅片间距的影响也增强。 2)空气侧的换热因子随着管排数的增加而减小，而空气侧摩擦因子受管排数的影响不显著。 3)随着人口空气相对湿度的增大，空气侧的换热因子增大。人口水温越低，则人口空气相对湿度对换热因子的影响越显著。 4)人口空气相对湿度变化对空气侧摩擦因子几乎无影响。 |
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