三种翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究

1、三种翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究唐凌虹，谢公南，闫孝红，杨 剑，曾 敏，王秋旺(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049)摘 要：为考察大管径下不同翅片形式对空气侧强化传热的影响，对6排平直、开缝、纵向涡翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了试验研究，发现开缝翅片的传热性能高于纵向涡翅片和平直翅片，但相应阻力也增加，在试验的Re数范围内整理出了传热和阻力的关联式，并分别在相同质量流量、相同压降和相同泵功三种准则下对三种换热器进行了传热与阻力的综合比较，结果表明开缝翅片综合性能高于平直翅片和纵向涡翅片。关键词：翅片管换热器；试验研究；翅片形式；传热与阻力Experim

2、entalinvestigation on flow and heat transfer characteristics of three fin-and-tube heat exchangers TANGLinghong, XIEGongnan, YANXiaohong, YANGJian, ZENGMin, WANGQiuwanb( State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049)Abstract: To study t

3、he effect of fin pattern on heat transfer enhancement on airside in fin-and-tube heat exchangers, flow and heat transfer characteristics of three six-row heat transfer surfaces, i.e. plain fin, slit fin and longitudinal vortex generator, have been studied experimentally. It is found that the heat tr

4、ansfer of slit fin-and-tube heat exchanger is superior to those of the other two. However, its friction factor is the highest. The friction factor and Nusselt number correlaLions have been obtained and a comparison of thermal performance has been made under three constraints. It has been found that

5、the slit fin has superior heat transfer performance than those of the other two under identical mass flow rate, identicalpressure drop, andidenticalpump power.Key words: fin-and-tube heat exchanger; experimentalinvestigation; fin pattern; flow and heat transfer随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求越来越大，如何有效的利用能源和保护生态

6、环境已经成为一个刻不容缓的问题。要缓解能源危机，一方面，要积极寻找新的能源；另一方面，就是要尽可能的降低现有的能源消耗。作为能量传递的主要设备，换热器性能的好坏对节能具有很大的意义。翅管式换热器在制冷、空调与空气冷却等行业得到了广泛的应用。由于热阻主要集中在空气侧，它占了总热阻的85%甚至更多，空气侧性能很大程度上决定了整个换热器的性能。因此，为了有效地提高换热效果和减小换热器的尺寸和重量，常常用到强化换热表面。文献1比较了平直翅片、波纹翅片、百页窗翅片和开缝翅片这四种不同翅片形式较小管径(管外径小于15mm)的翅管式换热器的换热及阻力特性，通过比较可知平直翅片的阻力最小，开缝翅片的换热和阻力

7、的综合性能最优。但是，对于较大管径（管外径大于16mm）的翅管式换热器，相关文献很少。纵向涡发生器作为第三代强化换热表面，近几年来得到广泛的关注，国内外学者在这方面进行了许多研究工作2-8。但是，对于相同的较大管径基管的翅管式换热器，关于平直翅片、开缝翅片及纵向涡发生器的换热与阻力特性综合研究的相关文献较少，而在空气压缩机的中冷器采用的基管管径均较大( >16mm)，本文的目的就是通过试验研究大管径下平直翅片、开缝翅片及纵向涡发生器的换热与阻力特性，找出这三种翅片的换热与阻力综合效果最优的翅片形式，为相关的工业应用提供理论根据。1-进口；2-整流段；3-收缩段；4-稳定段；5-试验段；6

8、-毕托管；7-风机；8-锅炉；9-过热器；10-倾斜式微压计；11-容积式流量计；12-数字电压表；13-热偶网络；14-水瓶；15-U型管差压计图1 试验的风洞系统1 试验装置及试验元件参数本试验是在一吸风式风洞中进行，如图1所示，该系统由空气与凝结水两回路组成。试验时，在水蒸汽压力保持不变的情况下，通过调节阀改变空气侧的流量，进行多个工况的试验测定。换热与阻力试验数据均是在工况稳定后进行测量的，每个工况测取几组数据，取其平均值进行计算。空气侧与凝结水侧测得热量的偏差在±5%以内，以两者的平均值作为计算热量。翅片管的示意图如图2所示。图3、图4、图5分别为平直翅片、开缝翅片及纵向涡

9、发生器翅片实物照片的一部分。三种不同翅片的试验元件均为6排。试验元件管束排列采用错排方式，基管材料及翅片材料均为紫铜，该试件采用胀管的方式使基管与翅片紧密结合。翅片管式换热器试验元件的几何结构参数如表1所示。图2翅片管结构示意图图3 平直翅片图4 开缝翅片图5 纵向涡发生器翅片 表1 翅片管式换热器的几何结构参数变量符号单位数值基管内径d1mm16基管外径d2mm18横向间距S1mm42纵向间距S2mm34翅片厚度mm翅片间距Fpmm翅片长度Lmm204翅片宽度Wmm250试件高度Hmm3002 试验数据的整理根据试验测得的蒸汽压力及凝结水流量，可以确定蒸汽侧的放热量w （1）式中，r为汽化潜

10、热。根据空气在试验元件进出口的温差t以及质量流量qm可以确定空气侧的吸热量a （2）式中，cp为空气的定压比热容。蒸汽侧的放热量w和空气侧的吸热量a的平均值m作为计算热量 （3） 所测试的换热器中，一侧为空气强制对流换热，另一侧为蒸汽的凝结换热。在试验工况下，蒸汽凝结换热热阻只占换热过程总热阻的1%5%，采用热阻分离法将空气侧换热系数从总传热系数k中分离出来，具有较高的精度。由传热学知，传热系数计算式为9 （4）式中，T=(Tout-Tin)/ln(Ts-Tin)/(Ts-Tout)，Tin、Tout分别为试验元件进、出口空气温度；Ts为蒸汽的饱和稳定；Ao为空气侧总换热面积。传热过程的总热阻

11、与分热阻的关系式为： （5）式中，o为肋面总效率；ho为空气侧换热系数；hi为蒸汽侧凝结换热系数，由式(6)计算9 （6）肋面总效率o由(7)式计算 （7）式中，Af为翅片面积；为翅片效率，可由下式计算10 （8）式中，Rl为基管半径。 （9） （10） （11） （12） （13）这样通过对式(5)式(13)进行迭代，就可以计算出肋面总效率及空气侧换热系数。空气侧的Re数及Nu数定义如下 （14） （15）式中，d3为特征长度，d3 =d2+2；umax为最窄面流速。在传热试验的同时测取各元件的阻力数据，根据下式计算阻力因子 （16）3 试验结果及分析为了保证试验结果的可靠性，本文首先对试验

12、数据的重复性进行了考核，即在将试件拆下几天后重新安装再次进行试验，然后比较两次的试验结果，以平直翅片为例，由图6可见，试验数据的重复性良好。图6 数据重复性考核结果流动和换热的整体特性可用如下形式的关联式来表示 （17）对比性试验数据和拟合的关联式见图7和图8，关联式拟合的标准偏差均小于5%，适用雷诺数的范围：平直翅片×l03×l04;开缝翅片×103×l04×l03×104。图7表明，在相同的Re数下，开缝翅片试验元件的换热效果最好，纵向涡发生器翅片试验元件的次之，平直翅片的最低。并且各种不同翅片试验元件的Nu数都随着Re数的增加而

13、增大。图8表明，在相同的Re数下，开缝翅片试验元件的阻力最大，平直翅片试验元件的次之，纵向涡发生器翅片的最小。并且各种不同翅片试验元件的，因子都随着Re数的增加而减小。图7 Nu与Re关系图图8 f因子与Re关系图强化换热的同时往往伴随着压降增加，评价一种传热强化方式的优劣是研究传热强化方法中的一个重要问题。目前，文献中常采用的比较准则有三种11 ：相同质量流量；相同压降；相同泵功。本文所研究的三种不同片型的水力直径和总换热面积都近似相等，在常物性条件下，可推导出如下限制关系式。相同质量流量 （18）相同压降 （19）相同泵功 （20）式中，下角标v为纵向涡发生器翅片；下角标为开缝翅片：下角标

14、p为平直翅片。对于空气侧的换热量满足式(2)： （21）以平直翅片为基准，根据式(18)式(20)，只要给定平直翅片的一个Re数就可以计算出满足其中一个比较准则的另外两种翅片的相应Re数，再根据本文所得的换热关联式，就可以计算出相应的Nu数和空气入口速度，进而可以求出空气侧换热系数h和质量流量m。在给定管壁温度Tw和空气进口温度Tin情况下，由式(21)就可以迭代求出出口温度Tout，这样由式(2)可以求出各种翅片的换热量。图9是换热量之比，在图9中以c/p表示开缝翅片及纵向涡发生器翅片换热量与平直翅片的比值。图9 c/p与Re关系图从图9可以看出，在相同质量流量、相同压降、相同泵功这三种比较

15、准则下，s/p和v/p均大于1，即开缝翅片和纵向涡发生器翅片的换热综合效果比平直翅片的好；对应准则下s/p值大于s/p值，说明开缝翅片的换热综合性能优于纵向涡发生器翅片。对于需要强化换热而对压损要求不高的条件下，开缝翅片是这三种翅片的最优选择；但是在需要强化换热并且对压损要求高的条件下，纵向涡发生器翅片反而会成为最优选择。4结论本文通过对三组大管径不同翅片试验元件的换热与阻力的对比试验研究，可得到主要结论如下。(1)在相同Re数下，开缝翅片试验元件的N数最高，纵向涡发生器翅片试验元件的Nu数次之，平直翅片的最低。并且各种不同翅片试验元件的Nu数都随着Re数的增加而增大。(2)在相同Re数下，开

16、缝翅片试验元件的，因子最大，平直翅片试验元件的，因子次之，纵向涡发生器翅片的最小。并且各种不同翅片试验元件的，因子都随着Re数的增加而减小。(3)在三种不同比较准则下，开缝翅片的换热综合性能优于纵向涡发生器翅片的换热综合性能，纵向涡发生器翅片换热综合性能优于平直翅片的换热综合性能。 参考文献1 唐凌虹，曾敏，王秋旺第二届新型传热技术和设备研讨会会议论文集C，北京：化学工业出版社，2005: 108-1112 Pesteei S M, Subbarao PM V, AgarwalR SJApptied Thermal Engineering, 2005, 25:1684-1696.3 Chi-C

17、huanWang,Jerry Lo,Yur-Tsai Lin.m.hUernational loumal of Heatand Mass Transfer, 2002, 45:3803-3815.4 ToriiK, Kwak K M, Nishino KJIntemational.toumal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45:3795-3801.5 Kwak K M, Torii K,Nishino K JExperimental Thermal and Fluid Science, 2005, 29:625-632.6 Chen Y, Fiebig M