哈雷钎焊板式换热器
专业生产:换热器;分水器;过水热;冷却器
新闻动态

带曲面涡产生器的管片式换热器阻力特性实验研究

点击:2203 日期:[ 2014-04-26 22:14:12 ]
                     带曲面涡产生器的管片式换热器阻力特性实验研究                           1.陈玉英  1.宋克伟  1.王良璧  2.李 莉 (1.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070;2.兰州电力学校,甘肃兰州730070)     摘要:涡产生器可装在管片式散热器的翅片表面,是一较好的强化传热粗糙元.但目前的研究主要集中在对平直涡产生器的研究,对曲面涡产生器的研究非常少.以空气为工质,分别对3种不同管间距的光板板芯及对应装有不同高度曲面涡产生器的板芯在不同板间距时的空气流动阻力做了实验研究.实验结果表明:在不同管间距、板间距时,板芯装涡产生器阻力系数均比光板板芯的阻力系数大,并且在低雷诺数时的增幅比较大,随着雷诺数的提高,阻力系数逐渐降低并趋于平缓,且阻力系数增幅大大减少.     关键词:换热器;涡产生器;强化换热;阻力系数     中图分类号:TK172 文献标识码:A     管片式散热器广泛应用于汽车、内燃机车散热器和中冷器上.散热器在实现气~液热交换的过程中,气侧热阻在整个系统热阻中占有主要地位,对换热效率起着决定的作用.气侧热阻很大的根本原因是存在较厚的流动边界层,如在管子的外壁加装了涡产生器,则相应的增强了近壁处流体的扰动,破坏流动边界层,提高流体与壁面温度梯度,减少热阻,从而大幅度提高了换热系数.对涡产生器在强化对流换热方面的研究是由Milliat在1960年首先开展的,直到2O世纪8O年代中期,德国的M.Fiebig领导的工程热物理研究小组以及其他科研工作者才开始对该问题进行更为深入广泛的研究,并取得丰硕的研究成果,但是由于管片式散热器结构的多样性,此方面的研究还需要补充完善.笔者所在课题组对涡产生器强化换热机理进行了大量实验和数值研究,涡产生器强化换热机理的研究大致分为两种观点[1]:涡产生器产生的纵向旋涡,对下游的边界层有冲刷作用,使边界层厚度减薄,从而起到强化换热的作用;涡产生器能延缓边界层的形成,从而减小热阻起到强化换热的作用.与之不同,Pauley对纵向涡产生器嵌入单侧壁面边界层的传热效果作了研究,认为涡旋改变了复杂的三维流动湍流度特性和近壁的边界层结构,可有效地提高传热效率,是一种比较优良的强化换热方式.任何种强化手段在强化换热的同时必定伴随着阻力损失的增加,而目前对加装涡产生器后带来阻力增加的研究相对较少,本实验采用的是三角小翼式曲面涡产生器,是对研制新型高效的散热器的一个探索.     1 实验装置及试件     1.1 实验装置                           该实验装置是由吸风式风洞、试验段、流量调节、流量测量装置及风机组成.风洞用来形成具有一定速度和压力的均匀气流,本实验采用小收缩比风洞,风,同的人口几何尺寸为300 mm×90 ram;出口几何尺寸为150 mm~45 mm;长度为200 mil1.其收缩段曲线的形状对试验段气流的均匀性有很大的影响,本风洞人口收缩段曲线应用的是由Batehelor-Shaw提出的收缩曲线公式:                           式中:F1为人口截面面积;F2为出口截面面积.空气温度测点在风洞人口,采用0.1℃ 刻度水银玻璃棒温度计测量;在试验段上试件前后等距离处上下壁面以及两侧面对称位置上各有一个小孔( 0.5),该小孔直接由铜管焊接相连,以保持气压稳定性,作为实验过程中试件阻力的测试点,压差用斜管式微压计测量,角度的调节范围为oO~9O。,通过调节微压计的角度来调节微压计的量程;空气流量由吸风机电机的变频调速装置调节,其变化范围为6~6Om。/h,由玻璃转子流量计测量;风机安装在实验装置的下游,目的是避免风机产生的热量被空气带人试验段,从而难于维持试验段恒温的条件并保证气流不受扰动地进入风洞;气流的密度随温度和压力变化,用气压计对其进行了测量.     1.2 试验板芯     试件为三角小翼型曲面涡产生器式强化换热板芯,换热基板用2.5 mm厚的钢板制成,工业中采用冲孔和冲压的工艺手段来实现涡产生器与换热基板的结合,在本试验中利用胶水粘贴的方法来模拟这一过程,即将3种不同高度的倾斜半圆形翅片按一定的规则粘贴在换热基板上,换热板芯的结构示意图见图2.试验段的横截面尺寸为150 mm×45mm,长度为130 mm,板芯的尺寸见表1.                   2 数据处理     实验研究的是阻力特性,目的是整理出雷诺数Re与阻力系数-厂的关系曲线.     实验中采用的阻力系数定义为:                                            3 实验结果及分析     当流体流过圆管时,由于管子的阻挡作用在圆管前部流体产生滞止,此时,在滞止点两侧生成涡旋,涡旋在使部分区域流体扰动加剧的同时也使得管尾区产生回流. 回流区属于换热微弱区.为了改善换热器的换热性能,在圆管两侧的适当位置加设三角小翼形涡产生器并使翼面与来流方向成一定角度,用以消除管尾区回流或尾流滞止所造成的能量浪费.同时,气体流过涡产生器时由于涡产生器迎流侧面和背流侧面间压差的存在,在这些涡产生器的尾缘部位、小翼尖部及小翼导边的底部产生了一系列的涡旋,这些涡旋在沿流动方向运动的过程中通过破坏或减弱边界层的增长从而使传热得到强化.涡旋中的角涡旋由尾边的底部和小翼尖部形成,而纵向涡的核心产生于小翼导边的底部的流体,由于本实验采用的是三角小翼形曲面涡,所以同时伴有横向涡,纵向涡比横向涡更加利于换热的强化.加装涡产生器与其它强化传热手段相比,加在主流上的纵向涡能够以较小的阻力损失来增强换热,其主要原因是壁面上的阻力损失主要取决于主流在壁面法向方向的梯度而不取决于二次流的梯度.由于涡强化传热有比较小的阻力损失,所以现已将这一方法归结为第三代强化传热手段.     3.1 涡产生器对阻力特性的影响     图3是相同管间距、板间距的光板及涡板的阻力特性曲线,从图中可以直观地看出:在低雷诺数时涡板较光板的阻力系数增加较大,并且分别表明在Re=200时,涡板较光板阻力系数-厂的增幅率分别在101.5 ,56 ,188.7 ,随着雷诺数的提高,光板和涡板的阻力系数降低并趋于平缓,当Re一1700时,图中的阻力系数-厂的增幅率分别在11.O ,9.6 ,15.1 ,可见阻力系数的差值很小.发生这种情形是因为在低雷诺数时粘性力对阻力系数的变化有直接的影响,当装有涡产生器后,由于其本身的形阻增加.,使得涡旋生成的压差阻力所占份额增加,而粘性阻力比涡旋造成的压差阻力小,所以涡板的阻力系数较光板的增加很快.随着雷诺数的升高,流体运动的紊动程度逐渐扩大,粘性力和惯性力相比向着惯性力相对强大的方向变化,粘性力及涡旋生成的压差的影响变小,所以其阻力系数的差别几乎消失.因此在雷诺数比较高的情况下,尽量采用带有涡产生器的板芯来替代光板板芯,可以取得良好的换热效果,而且此时的阻力系数增幅并不大.     3.2 板间距对阻力特性的影响     图4是换热板芯在同一涡产生器高度不同板间距下的阻力特性曲线.从图中可以看出,随着板间距的减小,阻力系数不断增加,并且在低雷诺数时的增幅较大,当雷诺数提高到一定程度后,阻力系数降低并趋于平缓,3种板间距的阻力系数相差不多.分析图中的数据得出:当雷数Re=2 500时(定型尺寸为管直径),板间距t。一3 mm与板间距t。一5 mm时的阻力系数相比增加了41 ;板间距t。一4 mm与板间距t 一5 mm时的阻力系数相比增加了17 9/6.当R 一7 000时,tp一3 mm与tp一5 mm及tp一4mm与t。一5 mm时的阻力系数相比增加率分别为22.4 和9.5 .分析其原因是因为板间距降低时,流体的流通面积减少,在相同雷诺数下,板间距越小,速度梯度大,这时粘性力影响的区域相对较大,因而阻力系数越大l_4],随着雷诺数的增加,流动的紊流程度加强,粘性力的影响变小,所以不同板间距阻力系数的差别变得越来越小.                      涡产生器翼高对于阻力系数的变化有重要的影响,对于给定的Re数,随着翼高的增加,纵向涡影响区扩大,从而使传热增强,但涡发生器翼高增加的同时,通流面积也减小,阻力相应增加.在其它结构参数不变的情况下,选择翼高H与板间距t。的比值要综合考虑传热与阻力两方面的因素[5].     3.3 管间距对阻力特性的影响     从图5关系曲线可以看出:当板间距及涡产生器高不变时,随着管间距的增加,阻力系数降低.因为管间距增加时,虽然在相同雷诺数时通过最小截面处的气流流速降低,但同时通过试件前后的压差也减小,另外定型尺寸的变化也影响着阻力系数,的变化,在综合因素的影响下,阻力系数降低.并且在低雷诺数情况下,阻力系数的增长幅度都非常大,随着Re的增加,涡产生器式翅片板芯的阻力系数降低,并趋于平缓.数据显示:当Re一200时,管间距S2-32 mm与S2-38 mm及S2-44 mm相比阻力系数增加率分别为11.5 和23.1 ,管间距对流动阻力特性的影响比较小.     数据中有个别数据的偏差比较大的原因主要是因为实验中换热板芯表面上的三角小翼型涡产生器是用胶水粘贴上去的,所以在安装或实验进行中有掉落而导致的.另外,表示管片式换热器传热特性的特征尺寸有多种取法,如管径、片间距、水力直径等,本文基本上采用计算通道内通流面积与湿周来定义定性尺寸,该尺寸可综合反映管径、板间距对流动的影响[6].翼高增加时,对流换热的效果和阻力系数厂都增大,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.                          4 结束语     本文以空气为工质,分别对3种不同管间距的光板板芯及对应装有不同高度曲面涡产生器的板芯在不同板问距时的空气流动阻力做了实验研究.实验结果表明:在不同管间距、板间距时,板芯装涡产生器阻力系数均比光板板芯的阻力系数大,并且在低雷诺数时的增幅比较大,随着雷诺数的提高,阻力系数逐渐降低并趋于平缓,且阻力系数增幅大大减少.
上一篇:列管式换热器的结垢原因和清洗方法 下一篇:管壳式换热器强化传热与自清洁技术“洁能芯”

相关资讯

Copyright ©2008 哈雷换热设备有限公司 All Rights Reserved. 地址:奉化外向科技园西坞金水路 电话:0086-574-88661201 传真:0086-574-88916955
换热器 | 板式换热器 | 钎焊板式换热器 | 冷却器 | 分水器 | 地暖分水器 | B3-14B板式换热器 | 网站地图 | XML 浙ICP备09009252号 技术支持:众网千寻