低氣壓環(huán)境下開縫翅片管換熱器換熱性能研究

張慧晨+柳建華+徐小進(jìn)+張良+戚大威

摘 要： 利用低氣壓環(huán)境模擬裝置對(duì)開縫翅片管換熱器在不同氣壓下的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.研究結(jié)果表明：隨著氣壓不斷降低，換熱器周圍空氣密度逐漸降低，換熱器空氣側(cè)換熱系數(shù)以及顯熱換熱量逐漸降低，而空氣含濕量隨著氣壓降低逐漸升高，導(dǎo)致潛熱換熱量逐漸增加；當(dāng)氣壓降至0.058 MPa以下時(shí)，換熱器空氣側(cè)潛熱換熱量占主要部分，當(dāng)氣壓為0.04 MPa時(shí)，換熱器換熱能力與常壓下相比下降了36.63%.

關(guān)鍵詞： 低氣壓； 開縫翅片管換熱器； 換熱性能； 實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)： TK 172文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1008-8857（2016）03-0181-05

Abstract： Heat transfer performance on the air side of split fin tube heat exchanger under different air pressures were tested by using the low pressure environment simulation device.Results showed that heat transfer coefficient and the sensible heat would diminish along with the air density under low pressure.Meanwhile，the Moisture content was increased，which would make the latent heat increased accordingly.And the latent heat would exceed the sensible heat when the air pressure was lower than 0.058 MPa.The heat exchange performance would drop 36.63% compared to the normal pressure when the air pressure was decreased to 0.04 MPa.

Keywords： low pressure； split fin and tube heat exchanger； heat transfer performance； experimental study

翅片管換熱器由于制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、適用范圍廣而廣泛應(yīng)用于制冷與空調(diào)設(shè)備中[1].而地區(qū)環(huán)境不同，換熱器的工作能力隨之發(fā)生變化.例如，從上海至拉薩的青藏鐵路客車空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行過程中所經(jīng)歷的地區(qū)環(huán)境較為復(fù)雜，平均海拔相差4 km，對(duì)應(yīng)的氣壓相差約26.8 kPa，因此，客車空調(diào)器的換熱能力也會(huì)受到相應(yīng)的影響.而在距地表20～30 km的平流層內(nèi)，由于有著其他大氣層環(huán)境所沒有的穩(wěn)定氣象條件和良好電磁特性而定點(diǎn)懸浮了大量的飛行器[2-4].在平流層內(nèi)，氣壓低至4 kPa，空氣密度約是常溫常壓下空氣密度的1/20，因此，換熱器空氣側(cè)換熱效率將大幅降低.而翅片管換熱器的主要熱阻集中在空氣側(cè)[5]，因此空氣側(cè)換熱能力是影響換熱器換熱效率的關(guān)鍵.

目前，對(duì)翅片管換熱器的研究工作主要集中在常壓下?lián)Q熱器結(jié)構(gòu)、翅片結(jié)構(gòu)、來流空氣狀態(tài)等對(duì)換熱器換熱效率的影響.例如，李嫵等[6]對(duì)我國(guó)空調(diào)行業(yè)幾種常用的翅片管換熱器換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并得出雷諾數(shù)、翅片間距以及管排數(shù)對(duì)換熱器空氣側(cè)換熱性能影響的計(jì)算關(guān)聯(lián)式；Wang等[7]對(duì)12種不同翅片管換熱器樣品進(jìn)行測(cè)試，研究了翅片間距、管排數(shù)對(duì)換熱性能的影響.而環(huán)境壓力變化，特別是低氣壓狀態(tài)下對(duì)換熱器換熱效率的影響機(jī)理尚缺乏相應(yīng)研究.因此，本文利用低氣壓環(huán)境模擬裝置對(duì)開縫翅片管換熱器在不同大氣壓力下的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而得出空調(diào)器在不同壓力下制冷能力的變化情況.

1 測(cè)試裝置與測(cè)試方法

本文所用低氣壓環(huán)境模擬裝置由空氣循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及控制與測(cè)試系統(tǒng)三部分組成.測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.

測(cè)試過程中，利用變頻風(fēng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)段風(fēng)速，風(fēng)速利用孔板流量計(jì)以及壓差傳感器測(cè)量.為保持換熱器在不同氣壓下空氣溫度和相對(duì)濕度基本不變，系統(tǒng)空氣溫度和濕度分別采用電加熱器以及加濕器進(jìn)行控制.換熱器進(jìn)、出口溫度和濕度分別采用溫濕度傳感器測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)所采用的開縫翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

實(shí)驗(yàn)過程中將開縫翅片管換熱器安裝于低氣壓環(huán)境模擬裝置內(nèi)，利用電加熱器模擬空調(diào)熱負(fù)荷.實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)、出口空氣干球溫度，相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量，確定送、回風(fēng)含濕量，送、回風(fēng)焓差.在送風(fēng)口面積已知的情況下，通過對(duì)送風(fēng)速度進(jìn)行測(cè)試，從而確定送風(fēng)量.由于系統(tǒng)是閉式循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)，因此，回風(fēng)量等于送風(fēng)量.測(cè)試過程為：在低氣壓環(huán)境模擬裝置內(nèi)，依次調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部壓力為0.10、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04 MPa，并對(duì)上述各物理量進(jìn)行測(cè)量.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 不同氣壓下空氣側(cè)換熱系數(shù)變化

因?yàn)樵谝欢▔毫Ψ秶鷥?nèi)（絕對(duì)壓力為0.01～1 MPa時(shí)），μ、λ以及Pr可以認(rèn)為是與大氣壓力無(wú)關(guān)的常數(shù)[9]，將對(duì)文獻(xiàn)[6]中的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式推廣至低氣壓范圍.圖2為不同氣壓下空氣側(cè)換熱系數(shù)變化情況.

由圖2可知，隨著氣壓的降低，空氣側(cè)換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)[6]中實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的計(jì)算值均隨之降低.在壓力為0.09 MPa時(shí)，兩者相差最大，為8.41%，說明實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合良好；在壓力為0.04 MPa時(shí)，空氣側(cè)換熱系數(shù)與常壓下相比下降了26.99%.這是因?yàn)殡S著氣壓的降低，空氣密度降低，在空氣流速保持不變時(shí)，Re降低，所以Nu隨之降低，空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)隨之降低.因此，在低氣壓環(huán)境下，換熱器換熱能力降低，空調(diào)器制冷能力降低，如需要保持空調(diào)器制冷能力不變，可以采用提高迎面風(fēng)速的方法，但是風(fēng)速提高勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加，因此需綜合考慮空調(diào)器換熱效率與風(fēng)速之間的關(guān)系.

3.2 不同氣壓下空氣側(cè)總換熱量、顯熱換熱量以及潛熱換熱量變化

圖3為不同氣壓下空氣側(cè)總換熱量、顯熱換熱量以及潛熱換熱量變化情況.表2為不同氣壓下顯熱換熱量以及潛熱換熱量占總換熱量的比率.

由圖3和表2可知，隨著氣壓的降低，換熱器總換熱量逐漸降低，氣壓為0.04 MPa時(shí)，總換熱量與常壓下相比下降了36.63%；隨著氣壓的降低，空氣的密度降低，從而導(dǎo)致空氣質(zhì)量流量降低，顯熱換熱量降低，氣壓為0.04 MPa時(shí)，顯熱換熱量與常壓下相比下降了65.01%；隨著氣壓的降低，空氣的含濕量增大，導(dǎo)致空氣側(cè)潛熱換熱量增大，當(dāng)氣壓為0.04 MPa時(shí)，潛熱換熱量與常壓下相比增加了23.44%，當(dāng)氣壓降至0.058 MPa以下時(shí)，空氣側(cè)潛熱換熱量將高于顯熱換熱量，在氣壓為0.04 MPa，潛熱換熱量占據(jù)總換熱量的62.49%.如果氣壓進(jìn)一步降低，潛熱換熱量比率是否繼續(xù)上升以及上升到何種程度仍需要進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

當(dāng)大氣壓力降低時(shí)，空氣密度減小，空氣質(zhì)量流量減小，翅片管換熱器空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)減少，總換熱量、顯熱換熱量均減小，在氣壓為0.04 MPa時(shí)，與常壓下相比，空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)下降了26.99%，顯熱換熱量下降了65.01%.又由于隨著氣壓的降低，空氣含濕量增加，導(dǎo)致在氣壓為0.04 MPa時(shí)，與常壓下相比，潛熱換熱量增加了23.44%，總換熱量下降了36.63%，因而，隨著氣壓降低，翅片管換熱器換熱效率降低，空調(diào)器制冷能力降低，在對(duì)高原地區(qū)空調(diào)的設(shè)計(jì)過程中以及低壓低溫風(fēng)洞裝置設(shè)計(jì)過程中，需考慮氣壓對(duì)空調(diào)換熱器的影響.

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙存江，袁益超，廖飛頁(yè)，等.單向開縫翅片管換熱器傳熱與阻力性能的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[J].能源工程，2014（5）：9-13.

[2] 程雪濤，徐向華，梁新剛.低空環(huán)境中浮空器的熱數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2010，31（10）：2417-2421.

[3] GRIFFIN D K，SWINYARD B M，SIDHER S，et al.Feasibility study of a stratosphericairship observatory[C]∥Proceedings of SPIE 4857，Airborne Telescope Systems II.Waikoloa，Hawai'i，United States：SPIE，2003，4857：227-238.

[4] WROBLEWSKI D E，COT O R，HACKER J M，et al.Velocity and temperature structure functions in the upper troposphere and lower stratosphere from highresolution aircraft measurements[J].Journal of the Atmospheric Sciences，2010，67（4）：1157-1170.

[5] 史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2009：160-172.

[6] 李嫵，陶文銓，康海軍，等.整體式翅片管換熱器傳熱和阻力性能的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997，33（1）：81-86.

[7] WANG C C，TAO W H，CHANG C J.An investigation of the airside performance of the slit finandtube heat exchangers[J].International Journal of Refrigeration，1999，22（8）：595-603.

[8] 童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：16-18.

[9] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006：246-249.