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无锡东进:关于管翅式换热器的性能研究

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1实验系统介绍

1.1实验装置

纵向涡强化型管翅式换热器的实验在传热风洞实验台上进行。该实验系统由空气回路和蒸汽凝结回路组成。

在空气回路中,空气从双扭线型的1250×930mm2吸气口进入风洞中,然后经过整流段,收缩段和稳定段,最后进入横截面积为300×250mm2的实验段。在实验段中,空气经过管翅式换热器的管外侧,被换热管加热后经过稳定段和方圆收缩段,然后进入测速段。在测速段中,由毕托管测得空气流速,最后空气流经调节阀,进入风机并排向大气。在蒸汽凝结段中,由电热锅炉产生饱和蒸汽,饱和蒸汽在过热段被加热后经过上联箱进入管翅式换热器的管内侧,在换热管中被冷却然后凝结成水,冷凝水经过下联箱和容积式流量计,最后回到锅炉中循环利用。

1.2实验元件

实验用的纵向涡强化型管翅式换热器的外观。换热管材料为紫铜,管子长度为360mm,换热管管径为Φ10,流道壁厚为1mm.翅片间距FP=5mm,翅片数目为55片,翅片材料为铝,翅片厚度Ft=0.4mm.实验元件外壳为不锈钢材料。

1.3实验方法

①在实验进行时,水蒸气的压力应保持在0.12MPa左右。可以通过调节风机频率改变空气侧的流量,进行不同工况的实验测定。通过调节电加热器的功率可以使饱和蒸汽的压力保持稳定,在实验进行的过程中其波动范围在±3mm汞柱左右,蒸汽的表压力约为200mm汞柱左右。通过调节过热器,使得水蒸气在进入试件前的过热度保持在1~2℃左右。

②待实验工况稳定之后,每个工况测量三次数据,取其平均值进行计算,使得空气侧和蒸汽侧的热平衡偏差保持在±5以内。

③在进行传热实验数据测量的同时测得阻力数据。

1.4实验数据的处理方法

1.4.1换热数据的处理

在所研究的管翅式换热器中,管外侧为强制空气对流换热,管内侧为蒸汽凝结换热,可以采用威尔逊热阻分离法将空气侧换热系数从总传热系数中分离出来。由传热学的知识可得总传热系数的计算方法为:k=QmA0△TM式中,Qm为换热量,W;A0为换热面积,m2;△TM为对数平均温差,K.△TM=Tout-Tin/lnTs-TinTs-Tout式中,Tin为实验段进口温度,K;Tout为实验段出口温度,K;Ts为蒸汽的饱和温度,K.根据威尔逊热阻分离法可得,在换热过程中,总热阻与各个分热阻的关系如下所示:1k=1hi

1.4.2流动阻力数据的处理

2实验结果分析

纵向涡强化型管翅式换热器的空气侧努赛尔数随雷诺数变化趋势。从图中可以看到,努赛尔数随雷诺数的增大而变大,在双对数坐标图上呈较好的线性关系。

在实验测量的雷诺数范围内(4400<Re<11000),与平直翅片管翅式换热器相比,纵向涡强化型管翅式换热器的空气侧努赛尔数提高了9.8~23.6.由于实验范围的雷诺数处于湍流区,而在湍流状态下换热器流道内的流体已经被充分地扰动,纵向涡发生器强化换热的作用不及层流状态下那么明显,所以空气侧的努赛尔数的增幅不是很大。

阻力系数随雷诺数的增加而减小,在双对数坐标上也呈现较好的线性关系。当雷诺数的范围为4400<Re<6800时,与平直翅片相比,纵向涡强化型翅片的阻力系数增加0.6~7.0;当雷诺数的范围为6800<Re<11000时,与平直翅片相比,纵向涡强化型翅片的阻力系数减小了0.5~8.7.由于纵向涡发生器以"上升流型"布置在换热管两侧,在矩形小翼对与换热管之间形成了狭长的渐缩状流道,流体流经纵向涡发生器时一部分经过渐缩型流道被加速形成射流,一部分形成纵向涡旋。在纵向涡旋与高速射流的综合影响下,换热管后的尾迹区尺寸会显着地减小,换热管尾迹区的减小会降低换热管束引起形状阻力。当然,在换热器流道内安置的纵向涡发生器也会引入额外的形状阻力。但是,当换热管束引起的形状阻力的减幅大于纵向涡发生器引入的形状阻力的增幅时,换热器的整体流动阻力就会降低。

3结语

本文对纵向涡强化型管翅式换热器进行了实验研究,通过实验测试了纵向涡强化型的管翅式换热器的换热和阻力性能,获得了换热和阻力的关联式,并在实验的基础上通过数值模拟的方法比较了纵向涡发生器加工方式对换热器流动传热性能的影响。实验研究结果表明:在实验测量的雷诺数范围内(4400<Re<11000),与未安装纵向涡发生器的平直翅片相比,纵向涡强化型管翅式换热器的平均Nu数提高了9.8~23.6;当4400<Re<6800时,纵向涡强化型管翅式换热器的阻力系数f增加了0.6~7.0,当6800<Re<11000时,纵向涡强化型管翅式换热器的阻力系数减小了0.5~8.7.由此可见,纵向涡强化型换热器能够在提高换热系数的同时,降低其流动阻力;既减小了通风阻力,节约了电能;同时又可以减少换热面积和空冷系统的占地面积。