不同材料翅片管換熱器特性的試驗(yàn)研究

張凡,李兆輝,李曉宇,丁靖,陳磊,陶文銓

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

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不同材料翅片管換熱器特性的試驗(yàn)研究

張凡,李兆輝,李曉宇,丁靖,陳磊,陶文銓

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對(duì)目前對(duì)翅片管換熱器的試驗(yàn)研究大多不涉及到接觸熱阻,或者實(shí)際上將接觸熱阻歸納到氣體側(cè)熱阻中的問(wèn)題,對(duì)翅片管換熱器的接觸熱阻進(jìn)行了研究,逐步積累有關(guān)的數(shù)據(jù)。利用風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)研究了在相同的加工工藝條件下,基管和翅片材料對(duì)接觸熱阻的影響。通過(guò)對(duì)4種工程常用材料的翅片管換熱器的試驗(yàn)研究,在工業(yè)常用的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)給出了換熱和阻力特性的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。試驗(yàn)結(jié)果表明,在1 300

翅片管換熱器;接觸熱阻;換熱和阻力特性

作為熱量傳遞中的過(guò)程設(shè)備,換熱器在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛,其性能的好壞直接影響著能源利用的效率。因此,針對(duì)換熱器的材料、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行綜合性能分析,是一件兼具理論指導(dǎo)意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的工作。

翅片管換熱器具有加工和裝配簡(jiǎn)單、能承受高溫高壓、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在空調(diào)、制冷、化工等工業(yè)領(lǐng)域。多年來(lái),眾多學(xué)者對(duì)翅片管換熱器進(jìn)行了深入的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]。何雅玲等人利用三維數(shù)值模擬的方法,研究了不同雷諾數(shù)、翅片間距、管排數(shù)、管間距等因素對(duì)翅片管換熱器換熱和阻力特性的影響,并運(yùn)用場(chǎng)協(xié)同理論進(jìn)行了分析[5]。康海軍等人試驗(yàn)研究了3種翅片間距(2.0、2.6、3.2 mm)和3種管排數(shù)(2、3、4)的9個(gè)平直翅片管換熱器的換熱和阻力特性,給出了翅片間距與管排數(shù)影響的換熱和阻力性能通用關(guān)聯(lián)式[6]。

翅片管換熱器除了整體軋制的翅片外,各種加工方式都會(huì)使基管與翅片之間存在一定的接觸熱阻。由于接觸熱阻定量研究困難,目前對(duì)翅片管換熱器的試驗(yàn)研究基本都是針對(duì)開(kāi)縫形式、翅片間距、管排數(shù)、管間距等影響因素,大多不涉及接觸熱阻,或者實(shí)際上將接觸熱阻歸納到氣體側(cè)的熱阻中,例如文獻(xiàn)[7]的空氣側(cè)換熱系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際上包含了接觸熱阻在內(nèi)。由于接觸熱阻與多個(gè)因素有關(guān)且具有很大的隨機(jī)性[7],因此雖然20世紀(jì)60年代就已經(jīng)引起人們的注意[8],但經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的研究后,目前仍然是傳熱學(xué)中最缺少系統(tǒng)知識(shí)和規(guī)律的分支領(lǐng)域[9-12]。近年來(lái),不少學(xué)者引入了分形理論等近代數(shù)理方法對(duì)其進(jìn)行了研究[13],但要直接應(yīng)用到工程實(shí)際還有距離。本文認(rèn)為對(duì)于工程實(shí)際的換熱器設(shè)計(jì),制造廠家應(yīng)該對(duì)自己的生產(chǎn)工藝通過(guò)必要的試驗(yàn)測(cè)定,逐步積累有關(guān)的數(shù)據(jù),以獲得可靠的接觸熱阻數(shù)據(jù)。基于這一基本思想,我們用同一種加工制造工藝(液壓脹管,脹管壓力為150～180 MPa),分別采用不同硬度的管材(鐵白銅、304不銹鋼以及316L不銹鋼),用鋁材做翅片,制造了4臺(tái)試驗(yàn)換熱器,旨在通過(guò)相同條件下的試驗(yàn)測(cè)定,查明不同材料對(duì)翅片管換熱器的基管-翅片間接觸熱阻的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在吸風(fēng)式風(fēng)洞上進(jìn)行,風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

1:風(fēng)洞入口;2:過(guò)渡段;3:收縮段;4:穩(wěn)定段;5:熱電偶;6:U型管;7:壓差計(jì);8:畢托管;9:引風(fēng)機(jī);10:鍋爐;11:試件段;12:流量計(jì);13:冰瓶;14:數(shù)字電壓表圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)示意圖

本系統(tǒng)由空氣和蒸汽凝結(jié)水兩回路組成。在試件段進(jìn)出口截面上各均勻布置了由16對(duì)銅-康銅熱電偶串聯(lián)而成的熱電堆,以測(cè)量進(jìn)口風(fēng)溫和進(jìn)出口風(fēng)溫之差。熱電堆在試驗(yàn)前均在標(biāo)準(zhǔn)恒溫水浴中用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)配數(shù)字電壓表及7708采集卡進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集校驗(yàn),標(biāo)定出了電勢(shì)-溫度關(guān)系曲線(xiàn)。

空氣從1 250 mm×930 mm的雙扭線(xiàn)吸風(fēng)口吸入,經(jīng)整流段、收縮段、穩(wěn)定段后進(jìn)入試驗(yàn)段(橫截面積為300 mm×250 mm),橫向流過(guò)翅片管外側(cè)。被加熱后的空氣流經(jīng)穩(wěn)定段及方圓收縮段進(jìn)入安裝畢托管的測(cè)速段、調(diào)節(jié)閥,然后由風(fēng)機(jī)排向大氣。飽和蒸汽由電熱鍋爐產(chǎn)生,本測(cè)試臺(tái)電熱鍋爐共有6個(gè)電加熱器,其中3個(gè)加熱功率為8 kW,另外3個(gè)加熱功率為16 kW,總加熱功率為72 kW。蒸汽通過(guò)上聯(lián)箱進(jìn)入試件,在垂直管內(nèi)放出熱量凝結(jié)成水,水經(jīng)下聯(lián)箱、容積式流量計(jì)回到鍋爐。試驗(yàn)過(guò)程中保證空氣側(cè)與凝結(jié)水側(cè)測(cè)得的換熱量偏差在±5%以?xún)?nèi)。

1.2 試驗(yàn)元件

試驗(yàn)元件的翅片型式如圖2所示,試件編號(hào)與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。4個(gè)試件流動(dòng)方向的管排數(shù)都為12,橫向管間距為32.5 mm,縱向管間距為28.1 mm,均采用叉排布置。軋制管的翅片高度為5.85 mm。

(a)平翅片管換熱器

(b)軋制管換熱器圖2 翅片管換熱器示意圖

試件編號(hào)翅片類(lèi)型換熱管材質(zhì)翅片材質(zhì)換熱管尺寸/mm×mm翅片厚度/mm翅片節(jié)距/mm1板翅片304不銹鋼鋁Φ19×1250222板翅片鐵白銅鋁Φ19×1250223板翅片304不銹鋼鋁襯酚醛樹(shù)脂Φ19×1250224軋制管316L不銹鋼鋁Φ19×125根部07；頂部0321

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

空氣側(cè)的換熱系數(shù)可用熱阻分離法獲得。傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為

k=φm/(ΔtmFo)

(1)

以換熱管束的外側(cè)換熱總面積為依據(jù)的總熱阻與分熱阻的關(guān)系式為[7]

(2)

式中：hi、ho分別為管內(nèi)、外的換熱系數(shù)；Fi為換熱管束內(nèi)側(cè)換熱總面積;δ1為管壁厚度;λ為管材的導(dǎo)熱系數(shù),取20 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)值,鐵白銅為46.1 W/(m·K)[14],304不銹鋼為15 W/(m·K)[15],316L不銹鋼為14 W/(m·K)[15];Fo為換熱管束的外側(cè)換熱總面積,由無(wú)肋部分的總表面積F1和肋表面的總面積F2組成。

蒸汽側(cè)的凝結(jié)換熱系數(shù)按下式計(jì)算

(3)

式中:ρw、λw、μw分別為飽和水的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力黏性系數(shù);L為單根換熱管的高度;q為用換熱管束內(nèi)表面積計(jì)算的熱流密度。

空氣側(cè)的傳熱系數(shù)從總熱阻中按下式分離出來(lái)

(4)

描述空氣側(cè)換熱特性的Nu為

(5)

式中:d′=do+2δ2為特征尺寸,do為漲管后的換熱管外徑,δ2為頸領(lǐng)厚度。

同樣,Re定義為

(6)

式中:um為最窄截面流速;ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

由于4個(gè)試件流動(dòng)方向長(zhǎng)度相同,阻力系數(shù)f的定義式如下

(7)

式中:ΔP為空氣流經(jīng)換熱器的壓降;ρ為進(jìn)出口空氣的平均密度。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

在工業(yè)常用的1 300

表2 試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

在1 300

3.2 材料對(duì)換熱的影響

4個(gè)試件空氣側(cè)的Nu與Re的變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出,試件1與試件3的空氣側(cè)Nu差異很小,而試件1與試件3的各結(jié)構(gòu)尺寸都相同,差別僅在于試件3的翅片外增加了防腐蝕的酚醛樹(shù)脂涂層,說(shuō)明翅片上的涂層對(duì)管外換熱幾乎沒(méi)有影響。試件2與試件1翅片的類(lèi)型和尺寸都相同,僅換熱管材料不同。換熱管材料對(duì)管外換熱的影響主要是由于不同種類(lèi)金屬材料的接觸熱阻不同造成的,而所測(cè)得的管外空氣換熱系數(shù)實(shí)際上包含了接觸熱阻,從而導(dǎo)致了不同的管外空氣換熱系數(shù)。試件2,即鐵白銅管與鋁翅片脹接后,接觸熱阻最小,因此對(duì)比試件1和試件3,試件2的翅片能更好地發(fā)揮強(qiáng)化對(duì)流換熱的作用。在翅片材料都選用鋁的情況下,材料接觸熱阻的大小順序?yàn)殍F白銅<304不銹鋼,在相同的Re下,鐵白銅管管外空氣Nu比304不銹鋼管高28%～40%。

圖3 材料對(duì)空氣側(cè)Nu的影響

對(duì)比試件2與試件4,Re在1 300～4 500的范圍內(nèi)時(shí),鐵白銅管平翅片管換熱器空氣側(cè)Nu比316L不銹鋼軋制管換熱器高12%～17%,這些差別主要是由于不同的接觸熱阻而引起的。測(cè)試件平翅片管換熱器的翅片體積為1.51×10-3m3,軋制管換熱器的翅片體積為2.46×10-3m3,所以316L不銹鋼軋制管換熱器的換熱性能劣于鐵白銅管平翅片管換熱器,而且增加了翅片材料。

由于試件1與試件2的差別僅在于管材的不同,從而可以作為對(duì)照試驗(yàn)來(lái)確定附加接觸熱阻的值。從圖4中可以看出,空氣流速在4～12 m/s,即Re在1 300～4 500的范圍內(nèi)時(shí),試件1相對(duì)于試件2的管外熱阻的差值基本恒定,而這個(gè)差值即為304不銹鋼管比鐵白銅管增加的附加接觸熱阻的值。利用線(xiàn)性加權(quán)平均可得,在此Re范圍內(nèi),304不銹鋼管比鐵白銅管增加的附加接觸熱阻為4.53×10-3m2·K·W-1。對(duì)于304不銹鋼管,Re=1 750時(shí),這一附加的接觸熱阻占管外熱阻的23.5%;Re=3 800時(shí),接觸熱阻占管外熱阻的31.5%。

核苷酸二鈉（I＋G）的來(lái)源還是比較安全的，通常是從酵母中提取出來(lái)的。GB 2760－2011食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)將核苷酸二鈉（I＋G）列在《可在各類(lèi)食品中按生產(chǎn)需要適量使用的食品添加劑》的名單上。這說(shuō)明適量使用核苷酸二鈉（I＋G）是符合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的，不具有危害[4]。

圖4 試件1與試件2的管外熱阻

4個(gè)試件的空氣側(cè)壓降與迎風(fēng)面空氣流速的變化規(guī)律示于圖5中。從圖中可以看出,在相同的空氣流速下,4個(gè)試件的壓損幾乎相同,即不同的換熱管材料并不影響管外空氣側(cè)的壓降。

圖5 材料對(duì)空氣側(cè)壓降的影響

采用j因子與阻力系數(shù)的比值j/f作為性能比較的一種綜合指標(biāo),結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出,鐵白銅管配合鋁翅片的綜合性能最優(yōu),軋制管次之,304不銹鋼管最差。盡管304不銹鋼管價(jià)格比鐵白銅管便宜,但從試驗(yàn)所測(cè)的換熱效果來(lái)看,鐵白銅管鋁翅片仍然是制作熱交換器比較好的選擇。

圖6 不同試件的綜合性能比較

3.3 試驗(yàn)不確定度分析

本文按影響參量及其函數(shù)均服從正態(tài)分布估算的“二次冪法”[16]對(duì)試驗(yàn)不確定度進(jìn)行分析。

設(shè)R=R(X1,X2,…,Xn),X1,X2,…,Xn為n個(gè)獨(dú)立自變量,每個(gè)自變量的不確定度服從正態(tài)分布,那么R的不確定度ΔR與各個(gè)自變量的不確定度ΔXi(i=1,…,n)之間的關(guān)系由如下方程決定

(8)

相對(duì)不確定度可以表示為

(9)

q、ΔTm、k、hi和ho等的不確定度分析如下。

本試驗(yàn)中保證換熱量熱平衡偏差小于5%,因此取換熱量的不確定度為

(10)

表面積Ao的不確定度為

(11)

熱流密度q的不確定度為

(0.052+0.052 72)1/2=7.26%

(12)

對(duì)數(shù)平均溫差由下式確定

(13)

取試驗(yàn)中的典型情況進(jìn)行分析,Ts=100 ℃,Tw,in=25.9 ℃,Tw,out=77.8 ℃,令

(14)

對(duì)數(shù)平均溫差的不確定度為

(15)

(16)

(17)

(18)

因此,傳熱系數(shù)k的相對(duì)不確定度為

(0.052+0.052 72+0.004 742)1/2=7.28%

(19)

4 結(jié) 論

本文對(duì)4種不同材料的翅片管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了Re=1 300～4 500范圍內(nèi)的換熱和阻力試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,可供工程實(shí)際選用。試驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下。

(1)試驗(yàn)測(cè)定的空氣側(cè)換熱系數(shù)實(shí)際上包含了接觸熱阻在內(nèi),不同的換熱管材料通過(guò)影響接觸熱阻,從而影響管外空氣側(cè)換熱的優(yōu)劣。在翅片材料都選用鋁的情況下,換熱管材料接觸熱阻的大小順序?yàn)殍F白銅<304不銹鋼,304不銹鋼管比鐵白銅管增加的附加接觸熱阻為4.53×10-3m2·K·W-1。

(2)在相同的Re下,鐵白銅管平翅片的換熱效果優(yōu)于316L不銹鋼軋制管,后者優(yōu)于304不銹鋼管平翅片。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

Experimental Study on the Performance of Plane Fin-Tube Heat Exchanger Made of Different Materials

ZHANG Fan, LI Zhaohui, LI Xiaoyu, DING Jing, CHEN Lei, TAO Wenquan

(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In the current research of fin-tube heat exchanger, thermal contact resistance is rarely considered, or it is included in the air side heat transfer resistance. In this paper, the influence of materials of tubes and fins on the thermal contact resistance is studied. The heat transfer performance of four fin-tube heat exchangers made of different materials is investigated experimentally, and the general correlations of heat transfer and pressure drop characteristics are obtained in the Reynolds number range commonly encountered in engineering. It is found that in the Reynolds number range of 1 300-4 500, the Nusselt number of air across the copper-nickel-iron alloy tube-aluminum fins is 28%-40% greater than that of 304 stainless steel tube-aluminum fins. For the same manufacturing technology and fin material, the thermal contact resistance of pipes made of 304 stainless steel is 4.53×10-3m2·K·W-1more than that of copper-nickel-iron alloy. The measurement uncertainty of this experiment is 7.28%, and the thermal contact resistance is reliable, which can be used in engineering design.

fin-tube heat exchanger; thermal contact resistance; heat transfer and pressure drop characteristics

2014-09-18。

張凡(1990—),男,碩士生;陶文銓(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師,中國(guó)科學(xué)院院士。

時(shí)間:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505010

TK124

A

0253-987X(2015)05-0062-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.1724.014.html