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板翅式换热器翅片表面传热与阻力特性性能分析(一)点击：2103 日期：[ 2014-04-26 22:55:15 ] |
| 作者:龙江 【关键词】翅片,传热,板翅式换热器【论文摘要】板翅式换热器作为一种高效新型紧凑式换热器，其传热主要是依靠其重要的单元部件翅片来完成,其换热能力是由翅片的扩展面大小和翅片对流体的扰动能力来决定。本文通过对四川川空换热器有限公司生产的翅片利用稳定态的测试方法进行传热因子和摩擦因子的测试，得到Re~j, Re~f,的关系图，为板翅式换热器工程设计提供可靠的设计数据。一、引言: 板翅式换热器作为一种新型高效换热设备，由于其具有结构紧凑、传热效率高、轻巧牢固、适应性强、经济性好等特点，目前在我国已广泛应用于低温法空气分离、天然气液化、石油化工、车辆工程、核工程、以及电子设备、微尺度设备工程等领域。与传统的管壳式换热器相比，其传热效率高20%~30%，成本可以降低50%。高效换热型面及其测试技术一直以来都是热力工作者的主要研究方向之一。本文采用由华中科技大学能源与动力工程学院热科学与工程技术中心为四川川空换热器有限公司设计开发的低速吸风式传热实验风洞及数据采集处理系统，对四川川空换热器有限公司生产的各种翅片进行了传热因子、摩擦因子测试，为板翅式换热器工程设计提供可靠的设计数据。二、工程背景及换热表面的传热性能测试方法简介：在王松汉老师主编的《板翅式换热器》一书中，曾重点指出：“在对板翅式换热器进行设计时，不仅应当根据翅片形式、翅片参数、而且要根据制造厂提供的雷诺准数Re与传热因子j，雷诺准数Re与摩擦因子f的关系图，查得j和f的值，进行传热和流体阻力计算。虽然翅片的形式和参数都相同，但是由于不同工厂生产的翅片，加工方法和制造精度不同，翅片的毛刺、切开、翅片的变形情况也不同，都会引起j，f值的较大变化。因此工厂生产的板翅式换热器，都应当根据该厂提供的Re与j，Re与f的关系图进行换热器设计，否则将会引起误差。”有关板翅式表面性能数据最早由美国Norris R.H.进行研究，继则有美国Kay W . Y.与London A.L.为首的Stanford大学研究小组进行了广泛、系统地试验研究，并将56种规格板翅表面的性能数据汇聚于《Compact Heat Exchangers 》中。这些早期的军用翅片的规格与目前国内外普遍采用的翅片规格存在差异，直接采用这些数据还有困难。1965年我国由日本神钢“ALEX”引进平直形、锯齿形、多孔形翅片性能数据，由于国产标准翅片与日本神钢“ALEX”的大致规格相同，国内有关工厂、设计院多沿用该曲线数据。该曲线只区别翅片形式，不区别每种翅片形式的尺寸。使用结果表明：在常用雷诺数Re=500~10000范围内，约有15%的裕量。西安交通大学热工实验室对为便于编拟程序对图表进行了曲线拟合：锯齿型翅片（雷诺数Re=300~7500）由此可见传热因子和阻力因子是板翅式换热器设计中的一个基本数据在板翅式换热器设计中有着至关重要的地位。板翅换热表面由于形状复杂、壁面极薄、流体通道十分狭窄，因而影响其表面传热性能的各种变量之间的关系十分复杂。到目前为止，除了简单的几何形状的层流有解析解，一般匦胪ü笛槔床舛āＣ恐殖崞蝗缺砻娴谋砻娲群妥枇π阅芏伎梢员硎疚?对于板翅表面，它难以用常规的测壁温的方法来确定表面传热系数，所以目前国内外关于板翅换热面的表面传热性能，往往都采用各种不需要测量壁面温度的间接方法来求取的。一般分为两类：①稳定态法 ②瞬变态法。但每一类又包含多种方法，它们所依据的原理不一样，各有自己的特点和适用范围。2-1 板翅换热表面传热性能稳定态测试技术：这类方法的实质就是在稳态下，测定换热器的传热系数K，并根据传热热阻方程，将待测量一侧流体与换热面之间的平均表面传热热阻R从总热阻的测定值中分离出来，于是求得待测量一侧的表面传热系数。传热热阻方程为：式中：传热系数，分别是基于热、冷侧总表面积，表示固体壁面的平均面积，, 是分别对应总表面积，的翅面的总效率。按误差理论分析，可求的表面传热系数h的相对不确定度为：表面传热决于三个因子的乘积，其中传热系数测定值不确定度，取决于系数h的不确定度取两侧流体温度的测量不确定度，此外还与两侧流体的最大温差，水当量比，相对流向以及测量工况即数有关。2-1 板翅换热表面传热性能瞬变态测试技术：所谓瞬变态法就是利用流体稳定流过给定换热面对之加热或冷却时，流体出口温度随时间的变化与流体和该换热表面之间的表面传热系数的单值函数关系，结合实测的流体出口温度随时间的变化，通过配比来求取表面传热系数。瞬变态法求取表面传热系数不确定度主要来自两个方面：①理论解与实际情况不符合所带来的不确定度，这是稳态法所没有的。②由测量的不精确所造成的不确定度。这种不确定度。稳态法同样存在，但是测量对结果的影响将随工况以及所选用的配比方法不同而有很大的差别。 3-2．测量参数和测量方法3-2.1 空气侧测量参数（1）进、出口风温用4对铜-康铜热电偶测量风洞进口风温，在实验段出口截面上布置了16 对铜-康铜热电偶测量试验段出口风温。采用美国吉时利（Keithley）公司 的 Keithley 2700数据采集系统测量热电偶的电势。实验数据直接进入由华中科技大学能源与动力工程学院热科学与工程技术实验室针对板翅片式换热器进行传热与流动阻力实验而开发的板翅式换热器传热与流动阻力实验数据采集系统软件进行数据处理。（2）风速实验时气侧风速采用标准椭球头毕托管配以日本产ISP-3-50DS精密微差压计测量，该精密微差压计可精确到0.01mmH2O。毕托管在试验前经标准低速风洞标定。实验前测定了测速段处截面速度分布，确定了最大风速和截面平均风速之间的关系，试验时毕托管安放在管道中心位置，测量出最大风速后，通过已标定的关系换算得到平均风速。差压信号进入数据采集器由软件进行数据处理。（3）实验元件阻力通过实验段前、后风洞壁上所开的取压孔，配以U型管差压计测量空气流经板翅式换热器试验元件的阻力，差压信号进入数据采集器由软件进行数据处理。3-2.2水侧参数用2对铜-康铜热电偶测量换热器进、出口水温，数据信号进入数据采集器由软件进行处理。用转子流量计测量热水的流量。3-3、试验过程3-3.1、试件安装和调试安装好实验元件，在正式进行实验之前，对实验系统进行了调试及预测试，主要工作有：（1）进行实验元件的气密性检查，包括接口法兰、测压孔等处，使试件进、出口空气流量的偏差在以内。（2）用隔热材料对实验段进行良好保温，尽可能减小散热损失。（3）实验所用测试仪表和计算机均能正常使用。（4）空气侧和水侧的热平衡偏差能控制在以内。3-3.2、实验方法（1）实验时，在保持水侧流量和温度基本不变的情况下，通过调节风机转速改变空气侧的流量，进行多个工况的实验测定。（2）全部试验均在工况稳定后进行测定，每个工况测取十组数据，取其平均值进行计算，并使热平衡偏差保持在以内。（3）全部的温度数据、阻力数据均可以认为是在传热试验进行过程的同时进行测量。数据采集器采集24个信号的时间为4秒，可以认为24个数据信号的测量是同时进行的。（4）实验过程中，数据采集处理软件能够对测量数据进行实时监控和实时记录，实验过程的所有测量数据都是实时存入数据库中，便于实验完成后对实验进行数据分析。3-4、实验元件几何尺寸与结构参数实验元件为我厂生产的板翅式换热器的各种翅片，翅片及隔板材料均为铝合金。实验元件外型几何尺寸为500×500mm，流通长度110mm。 |
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