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错排孔板封头对板翅式换热器流动与换热的影响点击：1866 日期：[ 2014-04-26 22:14:21 ] |
| 错排孔板封头对板翅式换热器流动与换热的影响 周爱民 厉彦忠 文键 王江 (西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049) 摘要：在对板翅式换热器内部物流分配研究的基础上，研究了错排孔板型结构封头对板翅式换热器出口流动与换热的影响。通过实验与工业用基本型封头对比，结果表明错排孔板型封头能够明显地改善换热器出口截面流量和温度分布的不均匀性。在Re=2 000时换热器的出口流量分布不均匀度大幅度地下降；而在 数较大情况下，能更加显著地改善温度分布的不均匀性。 关键词：错排孔板型封头结构；板翅式换热器；物流分配；温度分布；换热性能 中图分类号：TK 124 文献标识码：A 文章编号：1005-9954(2006)05-0012-04 板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点，与传统的管壳式换热器相比，其传热效率提高20％_30％ ，成本可降低50％ ，现已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天等领域。然而由于板翅式换热器设计、制造及结构的不合理造成换热器内部物流分配和温度分布不均匀，而其又是影响板翅式换热器换热效率的主要因素。针对物流分配、温度分布引起换热器效能的影响因素，文献[3]研究发现物流分配的不均匀性主要发生在封头部分，而导流片部分的不均匀性，主要由封头的来流不均匀所引起，因而研究封头结构对板翅式换热器流动和换热的影响具有重要意义。 提出和设计了错排孔板型封头结构，本文主要研究错排孔板封头和工业用基本封头对换热器内部物流分配及温度分布的影响。 1 实验系统及内容 实验系统采用空气作为实验工质，逆流方式布置。实验系统如图1所示，主要由空气回路系统和数据采集系统组成。实验研究的对象是经过模化结构的目前开封空分厂正在使用的板翅式换热器和导流体。为了实现对截面小流量和温度的测量，将试件的流动截面划分为30个小的区域，如文献[3]中所示，每个小区作为一个通道，可以进行小通道的流量和温度测量。 为实现针对不同封头的对比实验，实验中换热器主体部分即热端为安装固定的基本型封头，而冷端为可拆装的不同结构的封头。文献[4]根据对基本封头的计算结果，在封头内部高度一半的地方加入一块带有不均匀孔的挡板，提出了带孔板的封头结构。理想情况下，孔的面积和通过孔的流体流速可以达到∫vdA=常数。使得流体在到达封头出口J前，就已经进行均匀分配，从而达到改善封头内部物流分配的目的。 本文分别对如下2种不同结构的封头进行实验，研究其对换热器内部物流分配及温度分布的影响： (1)工业上普遍应用的基本封头，其结构尺寸与文献[3]中定义的封头一致。 (2)改进的封头结构，采用在封头内部高度一半的地方加入一错排不均匀打孔挡板(称为改进型封头)，封头结构见图2，孔板结构见图3。试件中的孔板打孔率沿着挡板的中轴线向两侧逐渐增加且成对称分布。孔板上沿中轴线由里向外分别均匀地打小、中、大3种不同直径的孔。 2 实验结果分析与讨论 为了表示换热器截面通道流量分配和温度分布的绝对不均匀参数，引入数理统计上的标准方差S。它体现了计算数据的离散程度，所得绝对值越大表示截面被测量分配越不均匀，反之，其分配就越均匀。定义 式中，Sv和．St分别表示速度和温度分布的不均匀参数；下标ch( )表示第i个通道的测量值，ave表示截面平均测量值；N表示总通道数。 另外引入θ表示换热器截面各通道被测参数的最大值与最小值之比，也从一定程度上反映了不均匀分配的情况。即 2．1 2种封头结构出口截面流速分布情况 文献[3]对板翅式换热器物流分配特性进行了详细的实验研究，本文仅以Re=2 000时为例来说明。图4是Re=2 000时工业用普通基本型封头结构换热器出口截面流速分布图，采用柱状形式表示30路冷流体流速值。 为了便于分析，将与人口管来流相同的方向定义为纵向，垂直来流方向定义为横向。从图中可以看到，基本型封头结构的板翅式换热器内部物流分配极不均匀。换热器出口截面流速分布呈现出一定的规律：由于入口管流速的影响，横向上速度分布是沿着入口管轴线附近速度较高，逐渐向两边递减，基本呈对称分布；中间2排通道的流速明显大于其余4排通道的流速，随着通道远离总管轴线，其内部流量呈减小的趋势；而纵向上流速分布的变化比横向上要小。这是因为横向物流分配不均匀主要是由封头结构造成的，纵向物流分配不均匀主要是由导流片造成的，而前者的影响是主要的。 图5和图6分别表示的是在Re为2000时，2种封头结构换热器横向和纵向出口截面物流分配隋况。 图中可以明显看出错排孔板改进型封头结构对物流分配的改善，即在目前工业中普遍应用的基本型封头下出口截面流速分布极其不均：对应入口管附近的最高速度为3．36 m／s；而远离入口管处于截面四角的最低速度为0．73 m／s，最大流速比θ为4．6，标准方差Js． 为0．62；横向平均速度最大和最小值分别为2．47 m／s和1．08 m／s，纵向平均速度最大和最小值分别为2．42 m／s和1．41 m／s。而在改进型封头内加入打孔挡板的封头下，中央位置高流速区的速度大大降低，而四周低流速区的速度均明显升高，最高流速为1．97 m／s；而最低流速为1．73 m／s，最大流速比为1．14，标准方差为0．07；横向平均速度最大和最小值分别为1．88 m／s和1．75m／s，纵向平均速度最大和最小值分别为1．89 m／s和1．76 m／s。较基本型都有很大程度上的改善。 上述现象可以解释为：错排打孔挡板中央正对着入口管的地方孔径较小，可以使来流受到较大的阻力，从而使得四周的孔中流过的流体增多，而四周较大的孔径保证了分流来的流体顺利通过。由于错排孔板在当量直径的变化上更具有连续性，因而可以使得经过孔板四周的流体速度不至于降得过低，从而提高了整个板束出口截面流速分布的均匀性。 2．2 不同结构封头对换热器换热的影响 换热器内部物流分配不均匀性的改进，主要目的是为了提高换热器的换热性能。受实验条件所限，本文中考察热侧流体Re=800时有3种进口温度，冷侧流体Re=6OO、900、1 200、1 500、1 800来流条件下相应的变化规律，考察Re数对换热性能的影响。以下出现的Re数均为换热器冷侧流体Re数。 2．2．1 与基本型封头结构换热性能比较 实验结果表明，随着Re数的增大，温度分布规律和流场分布规律相一致，不均匀参数都逐渐增大。改进型封头结构在改善截面流量分配的基础上使得温度分布也有很好的改善，降低了温度分布的不均匀参数，提高了换热器的换热性能。表1给出了两者的对比结果。 对换热器整体效能ε计算得出：在心数较小时，改进型封头截面温度分布不均匀参数St和换热器效率ε提高不是很明显；而在Re=1 800时，两者均可提高9％左右。结合文献[3_-4]的研究结果可以预测：随着尺e数的增加，换热器的物流分配和温度分布不均匀参数将会有显著改善，换热器效率也将会大大提高。 2．2．2 传热温差对出口截面温度分布的影响 为了对比分析同一尺e数下传热温差对板翅式换热器截面温度分布的影响，在其他条件不变，冷侧Re=600时，冷流体侧进口温度为34．5℃，通过加热热侧的进口温度来改变冷热流体的传热温差△t。表2表示了不同温差下换热器的温度分布的不均匀参数，可以看出温度分布随着传热温差的增大出VI平均温度升高，截面上温度分布更趋于不均匀，出VI最大温度与最小温度差值由3．4℃扩大到7．8℃，最大温度与最小温度比值θ也逐渐扩大。其原因在于温差增大加剧了不同流量通道之间流体的换热差异，使得换热器通道之间的轴向、周向导热量增大，导致各截面温度分布不均匀参数增大。 2．2．3 不同如数对出口温度分布的影响 文献[3]的实验结果表明：在层流范围内随着数的增大，换热器截面流量分配会越来越不均匀。图7和图8分别表示了不同如数改进型封头结构换热器横向和纵向截面温度的分布情况。 随着Re数的增大，冷流体3O路出口的平均温度有所降低，温度分布趋于更不均匀。这说明随着Re数的增大，温度的不均匀性也逐渐增大，这与流量分配的变化趋势相一致。 表3列出了不同如下温度分布的不均匀参数θ的比较，说明了随着如数的增大，流量分配不均会造成各部分传热不一致，从而导致了温度分布的不均匀，并且换热器截面温度范围在进一步扩大，不均匀参数也逐渐增大，影响了换热器的换热性能。 3 结论 (1)实验发现在封头内部加入错排孔板型封头结构对于改善换热器内部物流分配的不均匀具有很好的效果，能够有效降低最大流速和不均匀参数S。 (2)不同进口温度条件对换热器温度分布实验研究表明：冷热流体的传热温差越大，换热器截面温度就越不均匀，小的传热温差可以改善换热器内部温度分布。如数不仅影响板束单元内部物流分配的均匀性，也是影响温度分布的重要因素。 (3)实验分析了不同工况条件下的错排孔板封头结构换热器出口截面温度分布不均匀性，错排孔板型封头结构能有效地改善换热器的换热效果。 |
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