波纹翅片管式换热器空气侧传热与阻力性能

1、文章编号:CAR150波纹翅片管式换热器空气侧传热与阻力性能高飞1陈莹1左建国2李维仲2(1.三洋电机(中国有限公司大连分公司,大连 116023;2.大连理工大学,大连 116023摘 要建立了翅片管式换热器空气侧性能评价试验装置,通过试验对采用波纹翅片的1-5列换热器在迎面风速为0.2-8m/s 的范围内的传热与阻力性能进行了分析,考察了列数对其性能的影响。通过对于实验结果的无量纲化,整理出关于波纹翅片管式换热器在干空气条件下的空气侧换热与阻力特性的试验关联式,并且关联式的各项系数只与换热器的列数有关。可为翅片管式换热器的设计计算提供参考。关键词波纹翅片换热器传热关联式AIR SIDE H

2、EAT TRANSFER AND FRICTION CHARACTERISTICS OF CORRUGATED FINNED TUBE HEAT EXCHANGERSGao Fei1Chen Ying1 Zuo Jianguo2 Li Weizhong2(1.SANYO Electric (China Co. Ltd. Dalian Branch, Dalian 116023;2. Dalian University of Technology, Dalian 116023 Abstract A experiment apparatus is set up for evaluating the

3、 finned tube heat exchangers. The heat transfer and friction characteristics of 1-5rows heat exchangers with corrugated fins are analyzed by experiments. The scope of frontal air velocity is from 0.2 to 8 m/s in the experiments. The effect of number of rows on the performance is investigated as well

4、. The correlations of air side friction and heat transfer characteristics are obtained from the dimensionless results of experiments under dry air conditions, and the coefficients of correlations only changed with the number of rows. The results can be used to calculate and design finned tube heat e

5、xchangers.Keywords Corrugated fin Heat exchanger Heat transfer Correlation0 前言近年来,在暖通空调领域中改善能源利用率已成为重要课题,翅片管式换热器在这些领域中有着广泛的应用。在换热器的设计过程中,空气侧的传热与阻力特性通常是采用试验拟合公式进行计算。目前所见的试验拟合式大多数都非常复杂,适用的换热器的尺寸范围也很大1-10。在实际的生产制造过程中,每个公司所能生产的翅片管换热器的种类有限,尺寸有所不同,因此在设计时,使用这一类通用的拟合公式进行计算,其结果会存在很大的偏差。并且,各拟合公式通常都是在常用的风量范围内进

6、行试验来获得。因此,换热器的在较小的迎面风速范围内的特性曲线与更大的迎面风速范围内的特性曲线会有所差别。为了评价在较大的迎面风速范围内(0.2-8m/s的翅片管式换热器的性能,采用温水空气试验装置,对波纹翅片管式换热器的传热和阻力特性进行评价。1.被试换热器与试验装置1.1 被试换热器在本试验中,翅片管式换热器为单流程正三角式排列。换热器主要规格见表1。表1 波纹翅片换热器尺寸项目 单位 值管径 mm 9.53管排距 mm 25.4列间距 mm 22.0翅片间距 mm 1.50翅片厚度 mm 0.115 列数 1-5段数 6 换热器迎风面长度 mm 300换热器迎风面高度 mm 152.4 1

7、.2 试验装置试验装置如图1所示,包括空气系统和水系统两部分,可直接测量换热器空气的干湿球温度、相对湿度、压差,以及水的温度、流量和压差。试验装置部分部件设计以及计算公式参照国家标准GB/T 19232-2003。 图1 试验装置示意图1.2.1 空气系统为了获得更大的迎面风速,试验装置的空气系统用大小两个风洞组成,采用变频调节的引风机强迫空气流过换热器、风室和喷嘴,通过单个或喷嘴的组合来产生一定的风量。被试换热器的空气进口干湿球温度是由空气取样装置测得,大风洞的空气出口干湿球温度是由取样装置测得,在小风洞内通过温度传感器和相对湿度传感器测量干球温度和相对湿度。换热器的空气出口处安装有混合装置

8、,使进入测定室的空气充分混合。换热器出口和喷嘴的前后分别设有三个静压测定点,每个测点通过四个不同方向上的静压测定孔取压,混合后通过差压变送器来测量出风静压以及喷嘴前后的压差。由出风静压可知换热器空气侧的压力损失;由喷嘴前后压差以及喷嘴处的空气温湿度可以计算出通过喷嘴的空气的体积流量,从而可以得到流过换热器的风量和迎面风速。通过变频器调节控制引风机的转速,可实现不同的稳定的风量。 1.2.2 水系统水系统主要由恒温水箱、循环水泵、流量控制装置和温度、压差测量装置组成,系统采用闭式循环的方式为被试换热器提供稳定流量和温度的水。各分管路的流量通过手动截止阀,调节进出换热器的水的压差可实现各分管路内水

9、的流量相等。水系统采用热电阻传感器测量总的进出水温度以及各分管路出水温度。 1.2.3 仪器设备试验采用热电阻传感器测量温度,空气静压和水的压差是采用差压变送器进行测量。所有的传感器信号包括流量、温度、压力等通过数据采集器的RS232接口与计算机进行通讯。使用测试软件可以把所有采集的数据以及部分计算结果整理成Access 格式的文件保存。软件用C+语言开发,可进行试验参数的设定以及试验数据的采集和计算,并可以显示室用参数的变化曲线,便于观察试验进程。设定每6秒钟扫描并采集一次数据,在人工选取的生成数据文件的时间区间内,取算数平均值作为最终的结果。表2为各测量设备的规格。表2 试验设备规格名称

10、精度热电阻 0.05 (标定差压变送器0.075% 电磁流量计0.3%R 相对湿度传感器(2.0+0.025R%RH2.试验方法与数据处理2.1 试验方法试验分为压力损失和传热性能两个部分,换热器的流动布置为单流程叉流的形式。压力损失试验在常温下进行,在管内无水循环的条件下,测量换热器出口空气与进口空气(大气压力的压差,即为换热器空气侧的压力损失。考察压力损失随风量的变化情况。传热性能的试验是将管内水的总流量以及进口温度恒定,并通过各管出口处的阀门调节各列管内进出水的压差相同,从而保证各列管内水的流速相等。换热器进口的空气不经过任何处理,进口空气温度与试验室内空气的当时温度相同。试验在不同风量

11、的条件下换热器的阻力与传热性能。表3为试验条件。表3 试验条件项目 单位 值/范围迎面风速 m/s 0.2-8.0 空气流量 M 3/h 32.9-1316.2空气入口温度 22-25 管内水流速 m/s 0.75 水流量 M 3/h 0.1848水入口温度60 2.2 试验数据的无量纲化2.2.1 压力损失压降 2422ac am a vdec L f P = (1式中:f - 范宁摩擦因子; L 2 - 空气的流动长度; dec - 翅片的当量直径; v ac - 空气的代表风速; am - 空气的平均密度。引入无量纲数x + dece R L x =+2(2b xae fR +=+ (3

12、2.2.2 传热努塞尔数mdecNu =(4 式中: - 空气侧的传热系数; m - 空气的平均热导率。 引入无量纲数x *(dec r P e R L x =2 (5d cx Nu = (6式中,Pr 是普朗特数。3. 试验结果分析3.1 压力损失为了分析换热器空气侧的压力损失特性,引入无量纲数x +,得到系数只与列数有关的f*Re 与x +之间的关系式,见公式(3。图2表示了两者之间随列数的变化趋势。拟合关系式中的系数a 、b 的值的曲线见图3,在数据拟合的过程中,设定b 的值为29,在得出的关系式中,判定系数R 2的值在0.98以上。并且从图4中可以看出,试验结果与计算结果之间的偏差主要

13、分布在15%以内。图2 f*Re 与 x+图3 压降关联式的系数与列数关系图4 f*Re 的计算值与试验值的偏差3.2 传热为了分析空气侧的传热特性,引入无量纲数x*,得到系数与列数相关的Nu 数与x *之间的关联式,见公式(6。图5表示了不同列数换热器的Nu 数随x *的变化关系。从图中可以看出,当x *较小时(约x *=0.3时,在相同的x *的条件下,随着列数的增加,Nu 数逐渐增大;而x *相对较大时,列数的影响并不明显。关系式中的系数c 、d 与列数的关系曲线如图6所示,在拟合过程中,判定系数R 2的值在0.98以上。从图7中可以看出,试验结果与计算结果之间的偏差主要分布在15%以内

14、,特别在较大的迎面风速范围内(约1.6-8m/s ,拟合公式的计算值与试验值更为接近。 图5 Nu 与 x* 图6 传热关联式的系数与列数关系 图7 Nu的计算值与试验值的偏差4. 总结本文对正三角排列的1-5列波纹翅片换热器在0.2-8m/s的迎面风速的范围内的空气阻力与传热特性进行了试验分析。获得空气侧传热与阻力特性的关联式,关联式中的各项的系数只与换热器的管列数有关。从结果可以看出,在0.2-8m/s的迎面风速范围内,波纹翅片换热器的性能可以用以上形式的关联式来进行拟合,并且关联式中的系数与管列数的关系除1列换热器外都呈线性分布,在实际的翅片管式换热器的设计过程中,采用f*Re与x+以及

15、Nu与x*的试验整理式计算空气侧的传热系数与压降,可以大大简化计算过程,缩短计算时间,提高效率。参考文献1 Wang C C, Fu W L, Chang C T, Heat transfer and frictioncharacteristics of typical wavy fin-and-tube heat exchangers, Experimental Thermal Fluid Science, 1997,14:174-186.2 Abu Madi M, Johns R A, Heikal M R, Performancecharacteristics correlation f

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