套片式翅片管换热器传热与空气流动阻力性能试验研究

摘要：为了研究改变翅片材料对套片式翅片管换热器性能的影响,分别对采用铝翅片和黄铜翅片的套片式翅片管换热器(结构参数基本相同)进行传热特性与空气流动阻力特性的试验。试验得到了试件在一系列试验工况下的传热数据与管外空气流动阻力数据,通过计算得出了相应的传热准则关系式与管外空气流动阻力准则关系式,绘制了传热系数和管外空气流动阻力的有关图线。结果表明:黄铜翅片套片式换热器与铝翅片套片式换热器相比,换热性能优势明显,其原因主要是铝材比铜材软,与铜管胀接后的接触热阻大,因此换热性能更弱。

1引言

目前,国内炼油、化工、电力等行业所使用的空冷器正朝着高效、紧凑的方向发展。多年以来这些行业所采用的空冷器多为绕片式或双金属轧 片式,现在,正逐渐采用更为高效、紧凑的套片式 (穿片式)换热器[1]。虽然套片式换热器的管外流体流动阻力比双金属轧片式和绕片式换热器要大,但是套片式换热器的传热性能通常优于双金属轧片式和绕片式换热器,这正是一些行业用套 片式换热器取代原绕片式或双金属轧片式换热器的主要原因。

翅片管的传热系数受到翅片结构(翅高、翅厚、翅片间距)、翅片材质、管内侧换热系数的综合影响。多年以来,国内外学者对影响翅片管换 热器换热性能的各种因素进行了广泛研究[2-6]。 本次研究主要采用试验研究的方法,分别对结构 基本相同的铝翅片和黄铜翅片的两个套片式换热 器试件进行试验。分析翅片材质对于套片式换热器传热性能与空气流动阻力性能的影响。

2试验装置和测试方法

2. 1试验设备

试验在风洞试验台上进行,试验系统如图1 所示。

2. 2试件参数

试件共2个,结构参数基本相同(只是翅片间距稍有差别),主要是翅片材料不同。具体试件参数见表1。试件共4排,26根管,管长300mm。

2. 3试验方法

试验时,试件的管内通热水,管外空气横掠。 水的进、出口温度和空气的进口温度由精密水银温度计测量,水的流量由转子流量计测量。空气 的进、出口温度由布置在试验段前后流通截面上 的热电偶堆测量,空气的流量由毕托管测量。在 试件前后的风道上装有测压管,测量两处的静压压差,即可得到空气流动阻力。通过拟合曲线分离法得到管外换热准则关系式,采用线性回归方法可得到管外流体流动阻力准则关系式。

为了保证试验数据的可靠性,对每个工况的试验数据都要进行热平衡η的校验。如果|η|< 5%,认为试验数据可靠;如果|η|≥5%,则认为试验数据不可靠,需重新进行测试。热平衡η的计算方法[7-8]如下。

热流体的放热量Q1和冷流体的吸热量Q2可分别表示为:

式中,Q:换热量(W),取Q=Q1;A:传热面积 (取基管外表面积或管外总表面积)(m2);△t:平 均温差(℃),△t=△tM·fT; fT:温差修正系数; △tM:对数平均温差。

&n bsp;试验时,保持管内水流量及进口水温基本不变,改变空气的流量,得到一系列工况点数据。

3试验结果的分析及讨论

对实验数据进行整理,得到紫铜管黄铜翅片和紫铜管铝翅片套片式换热器管外换热准则关系式和管外流体流动阻力准则关系式如下。

式中,Nu=α·d0/λf;Re=V·d0/v;α:管外对 流换热系数(W /(m2.℃));d0:基管外径(m); λf:流体的导热系数(W /(m.℃));V:气体管前 (迎风面)流速(m/s);ν:流体的运动粘度(m2/ s);Pr:普朗特数。

(2)阻力准则关系式

(a)1号试件(黄铜翅片):

式中,Eu=△P /(ρ·V2);△P:流体的流动阻 力(Pa);ρ:流体的密度(kg/m3);N:管排数。 试验的传热系数(以基管外表面积为基准) 与空气流速的关系图线示于图2;试验的传热系 数(以管外总表面积为基准)与空气流速的关系 图线示于图3;管外空气流动阻力与空气流速的 关系图线示于图4;管外对流换热系数(以管外总 表面积为基准)与空气流速的关系图线示于图5。

从图2中可以看出,在空气管前(迎面)流速相同的情况下比较对应于基管外表面积的传热系数,采用黄铜翅的试件1比采用铝翅的试件2平均高近20%。从图3中可以看出,同样在空气管前(迎面)流速相同的情况下比较对应于管外总表面积的传热系数,采用黄铜翅的试件1比采用铝翅的试件2平均高近27%。从图5中可以看 出,比较对应于管外总表面积的管外对流换热系数,采用黄铜翅的试件1的比采用铝翅的试件2 平均高近30%。可见,采用黄铜翅的试件1的整体换热性能比采用铝翅的试件2优势明显。由于黄铜的导热系数小于铝材,因此,按常理推断,黄铜翅片换热器的换热性能应该比铝翅片换热器低,但试验结果却相反。只有一点可以解释,那就是换热性能的差异主要是两者翅片与基管之间的接触热阻的差异所造成的。铝翅比铜翅软,铝翅与铜管胀接后的接触没有铜翅与铜管胀接后的紧 密,因此接触热阻会大一些,造成换热性能下降。

尽管铝翅性能弱一些,但由于铝材比铜材便宜,且两者之间的市场价格差异波动较大,因此采用哪种翅片合适还得视市场而定。

图4是试验的空气流动阻力图线,我们可以看出:采用黄铜翅的试件1的空气流动阻力略低于采用铝翅的试件2。这是因为试件1的翅间距较大,因而阻力会小一些。如果两种试件的翅间距相同,其阻力也会基本相同,说明翅片材料的不同对空气流动阻力基本没有影响。

4结论

通过对两种结构基本相同但翅片材料分别是铜和铝的套片式换热器的试验研究表明:

(1)铜翅套 片式换热器与铝翅套片式换热器相比,整体换热性能高20—27%,优势明显。换热性能差异的主要原因是铝材比铜材软,铝翅与铜管 胀接后的接触没有黄铜翅与铜管胀接后的紧密,因此接触热阻会大一些,换热性能就更弱一些。

(2)套片式换热器翅片材料的不同对空气流动阻力基本没有影响。

参考文献

[1]宋鸣,李有堂.套片式翅片管的热套工艺[J].化工 机械, 2007, 34(3): 159-161.

[2]李革,王丽欣,刘世君,等.强化翅片管式换热器换热性 能的方法及应用[J].制冷与空调, 2005,5(4):80-82.

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[7]杨世铭,陶文铨.传热学(第3版)[M].北京:高等 教育出版社, 1998.

[8]茹卡乌斯卡斯A A著,马文昌,等译.换热器内的对 流换热[M].北京:科学出版社, 1986.

作者：谭月普 欧阳新萍 (上海理工大学制冷技术研究所,上海200093)