不同封頭結構對板翅式換熱器換熱性能的影響

發(fā)布時間：2009-12-14 瀏覽：2994

      板翅式換熱器以其傳熱效率高、結構緊湊、輕巧、適應性廣的特點,已在空分、石油化工和船舶制冷等領域得到廣泛的應用。但在實際使用中,換熱器部件設計不當、制造工藝以及安裝等原因會導致?lián)Q熱器內部物流分配不均,造成換熱器內部溫度分布不均勻,致使換熱效率降低[1,2]。其中封頭結構設計不合理是引起換熱器內部物流分配不均的重要因素[3~5]。

　　國內外許多研究人員針對物流分配對換熱器效能的影響進行了大量的研究,但大部分研究工作都集中在理論模型的建立以及數(shù)值計算方面,換熱性能的試驗研究卻很少見。因此,利用換熱實驗來研究影響板翅式換熱器換熱性能的各種參數(shù),如傳熱系數(shù)、摩擦因數(shù)和火用效率等,更有助于說明改進封頭型式是否能有效地改善換熱器的換熱性能。因此,筆者利用換熱實驗系統(tǒng),在物流分配和溫度分布實驗的基礎上,對封頭結構不同時板翅式換熱器的換熱性能進行了研究。

　　1實驗系統(tǒng)及實驗內容

　　實驗采用空氣為熱流體,水為冷流體,逆流方式布置。實驗系統(tǒng)主要由氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,見圖1。實驗研究的對象是經過�；�結構的目前某空分廠正在使用的板翅式換熱器和導流體[3,6]。將試件出口截面劃分為30個小的區(qū)域[6],每個小區(qū)作為1個通道,從而可以實現(xiàn)小通道流量,進、出口壓差(阻力)及溫度的測量。

　　實驗中換熱器冷側為固定安裝的基本型封頭,而熱側為可拆裝的不同結構的封頭。分別對3種不同結構的封頭進行實驗,以研究其對換熱器換熱性能的影響。首先采用工業(yè)上普遍應用的基本型封頭,其結構尺寸與文獻[3]中定義的封頭A一致。其次采用孔板型封頭結構,即在基本型封頭內部1/ 2高度的地方加入一不均勻打孔擋板。根據(jù)所加擋板類型,將順排擋板的定義為B型封頭,將錯排擋板的定義為C型封頭�？装逍头忸^結構和孔板結構見圖2。

　　2實驗過程及結果分析

　　2.1傳熱性能

　　實驗中,保持冷流體水的雷諾數(shù)Re=2000,溫度約18℃,熱流體空氣的進口溫度近似為58℃,通過改變熱流體空氣的Re,考察不同封頭結構下?lián)Q熱器30路出口的溫度分布和阻力損失,以此來比較反映換熱器性能的傳熱系數(shù)K和摩擦因數(shù)f。

　　由于空氣側的雷諾數(shù)是影響傳熱系數(shù)的主要因素,因此在實驗中做了如下簡化:①未考慮換熱過程中的漏熱損失和軸向導熱。②由于空氣側的熱阻是主要部分,因此在計算過程中忽略了冷側水的熱阻、隔板的熱阻、換熱器兩側污垢的熱阻以及其它一些熱阻。③不考慮冷、熱流體在換熱過程中Re的小波動。

　　2.1.1傳熱系數(shù)

　　封頭結構不同時計算得到的換熱器傳熱系數(shù)K與Re的關系見圖3。從圖3中可以看出,傳熱系數(shù)K隨著Re的增大而增大。在Re相同時,封頭A的K始終最小,封頭B的次之,封頭C的最大,并且隨著Re的增大,K提高的幅度也越大。Re=90時,封頭A的K=108.54W/(m2·K),封頭C的K=122.59W/(m2·K),相差12.9%;當Re= 2100時,封頭A的K=177.32W/(m2·K),封頭C的K=209.20W/(m2·K),相差17.4%。因此在實際換熱過程中,當Re較大時,使用改進型封頭結構能明顯地提高換熱器的傳熱系數(shù),強化換熱,提高換熱器的換熱效率。

　　2.1.2摩擦因數(shù)

　　換熱器空氣側摩擦因數(shù)f與Re的關系圖見圖4。從圖4中可以看出,孔板型封頭的摩擦因數(shù)f比原始封頭的f要大,特別是Re較低時。從圖中還可以看出,封頭B的阻力損失最大,封頭A的阻力損失最小,而封頭C的阻力損失介于兩者之間。這是由于在入口段添加了孔板,致使其流動阻力增加,在強化換熱器換熱的同時增大了流動阻力,符合傳熱學的基本理論。另外,隨著Re的增加,封頭C的摩擦因數(shù)越來越接近于封頭A的,如當Re=900時,封頭A的摩擦因數(shù)與封頭C的摩擦因數(shù)相差94.9%,而Re=3000時只相差21.5%,這說明了在Re較大的情況下,采用封頭C不僅可有效地改善換熱器的物流分配和溫度分布的均勻性,而且可有效地降低由于強化換熱而造成的阻力損失。

 

 

　　2.2熱力學分析

　　2.2.1熱力過程分析

　　以熱力學第二定律為基礎,從火用效率的角度綜合分析換熱器的性能。板翅式換熱器冷、熱體換熱過程見圖5,圖中Ta1、Ta2分別為空氣的進、出口溫度,Tw1、Tw2分別為水的進、出口溫度,K。根據(jù)熱力學第二定律,火用平衡方程為:

　　取空氣的平均比定壓熱容作為計算參數(shù),則空氣火用的變化為:

　　2.2.2計算結果分析

　　在水側入口條件不變時,隨著空氣側雷諾數(shù)的增大,傳熱系數(shù)和傳熱溫差增加,提高了傳熱效果。但隨著空氣流速的增大,流動阻力增大,系統(tǒng)的不可逆損失也增大,使得換熱器的火用效率ηe降低。換熱器火用效率與空氣側Re關系見圖6。從圖6可以看出,封頭B和封頭C的火用效率始終優(yōu)于封頭A的,并且隨著Re的增加,改進的效果也越明顯。Re= 900時,封頭A、封頭B和封頭C的火用效率分別為74.3%、75.2%和75.4%,3種封頭火用效率相差不大,封頭C的火用效率僅比封頭A的提高了1%。隨著Re的上升,火用效率的差距也隨之增加。Re=2100時,封頭C的火用效率比封頭A的提高了將近3%。采用火用效率計算時要用到多個流體參數(shù),而不像采用能效率計算時僅與溫度有關[7],因而其值更能貼近換熱器的實際換熱效果,更具有比較意義。

　　3結語

　　(1)通過換熱性能實驗,計算出了表征板翅式換熱器性能參數(shù)的傳熱系數(shù)K和摩擦因數(shù)f隨Re的變化關系。結果表明,采用孔板型封頭可提高傳熱系數(shù),改善換熱效果,雖然阻力損失有所增加,但在工業(yè)允許范圍內是可以接受的。

　　(2)通過對熱力學過程進行分析,計算出了換熱器火用效率隨Re的變化關系。結果表明,隨著Re的增大,流動阻力損失增大,系統(tǒng)的不可逆損失也增大,使得換熱器的火用效率ηe降低�？装逍头忸^性能始終要優(yōu)于原始封頭,隨著Re的增加,改善效果越明顯。

　　(3)分析了不同工況條件下?lián)Q熱器的換熱性能參數(shù),表明錯排孔板型封頭結構更為合理。