疊片式空氣冷卻器自然對流換熱實驗研究

李 彬,歐陽新萍

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

疊片式空氣冷卻器是一種高效的,緊湊的空氣冷卻器[1]。翅片形狀通常為矩形,翅片上開有若干個帶翻邊的管孔,將若干翅片呈層疊狀套在數根管子上,再用脹接的方法使翅片和管子緊密接觸,就構成了疊片式空氣冷卻器。相比于其它翅片管空冷器,疊片式空冷器單位體積可布置的翅片面積更多、氣流擾動更強,因而換熱效果更好,在石油化工行業有較多應用,例如PX裝置的芳烴冷卻等。

疊片式空氣冷卻器多用于空氣強制對流冷卻場合,也有用于空氣自然對流冷卻場合的。自然對流冷卻不用配置風機、不消耗風機電能、噪聲小,有其獨特優勢。國內外很多學者對疊片管的換熱情況做了大量的研究[2-3]。宋姍姍等[4]采用Boussinesq假設方法對于近似封閉空間內的自然對流情況進行了數值模擬,認為在小溫差下使用Boussinesq近似可以一定程度上減少計算量,但在大溫差下誤差較大。Clifford等[5]研究了通道寬度對水平圓管自然對流的影響,在高瑞麗數、最佳壁間距離的情況下,等溫表面的傳熱系數提高了74.2%。馬騰飛等[6]對在大空間里的管束做了數值模擬,得出了在體積熱源和面熱源兩種不同加熱方式的情況下,管束區域空氣平均流速基本相等的結論,為管束區域的空氣流動計算做了化簡。叢曉春等[7]對平直翅片管式換熱器進行了流動與傳熱模型的計算,提出了翅片間距與特征長度組成的無量綱常數對Nu和阻力因子f的計算關聯式,并分析其影響規律。劉逸等[8]采用數值模擬的方法對影響開縫型組合換熱器傳熱效率的因素進行了研究,考慮了傳熱條件較好的情況下的入口風速、翅片厚度和后排開縫數,并擬合出相關的傳熱流阻關聯式。從已有文獻發現,關于有限空間自然對流的研究多為封閉空間或者是大空間自然對流,很少有針對翅片管換熱器的自然對流計算公式,且很少看到加裝風筒對其自然對流影響的文獻。為了探明疊片式空冷器在不同的情況下的換熱效果以及風筒高度對有限空間自然對流的影響,拓展疊片式空冷器在自然對流中的應用,本文進行了此次研究。

本文對兩種不同管徑和管間距的疊片式翅片管空冷器進行自然對流換熱的對比實驗,得到了試件在一系列實驗工況下的傳熱數據,通過計算得出了空氣側的對流換熱系數以及與管徑、管間距、翅片間隙、試件高度、風筒高度等參數的關系,為自然對流換熱的疊片式空冷器的設計提供了依據,也為其它翅片管空冷器的自然對流換熱計算提供參考。

1 實驗參數及傳熱計算模型

1.1 實驗系統描述

用于實驗的試件有兩個,命名為試件1和試件2,如圖1、圖2所示。這兩種試件是委托實驗的廠家已經開發出來的兩款產品,旨在通過實驗得出這兩款產品的換熱性能,并依據實驗結果開發出滿足各種市場需求的其它結構產品。

圖1 試件1模型圖

圖2 試件2模型圖

實驗系統圖如圖3所示。試件安放于實驗系統中,管子進出接口與系統的油管路連接,油管內通30#透平油,通過油泵驅動油循環。油箱內布置加熱器對油進行加熱。試件油路進出口位置布置A級熱電阻溫度計,用于測量油進出試件的溫度,測量精度±(0.15+0.002t)℃。油管路中布置橢圓齒輪流量計,用于測量油的流量,測量精度0.5%。為了增強自然對流換熱效果,在試件上方安裝風筒?？諝膺M出試件的溫度由A級熱電阻溫度計測量,分別布置在試件入口處和風筒出口處,測量精度±(0.15+0.002t)℃?？諝饬魉儆傻聢D品牌熱線風速儀測量,布置在風筒出口處,測量精度±(0.03 m/s+5%測量值)。流速與風筒截面積的乘積即為空氣流量。安裝于試件之上的風筒有三段,一段為0.5 m長的收縮段,由試件的0.5 m×0.5 m截面收縮為0.3 m×0.3 m截面,另兩段為長1.0 m,通風截面0.3 m×0.3 m的矩形風筒。這三段風筒可組合成0.5 m、1.5 m、2.5 m高度的風筒。

圖3 實驗系統圖

兩個試件的基管為不銹鋼,翅片材料為紫銅。試件1的翅片尺寸如圖1所示,翅片長為498 mm,寬為124.5 mm。管子為3排12列排列,排間距(管間距)為41.5 mm,列間距為41.5 mm,管子外徑為14 mm,壁厚1 mm,管長為500 mm。組成的試件1的外形尺寸為:500 mm×498 mm×124.5 mm。試件2的翅片尺寸如圖2所示,翅片長為528 mm,寬為99 mm。管子為3排16列排列,排間距(管間距)為33 mm,列間距為33 mm,管子外徑為12 mm,壁厚1 mm,管長為500 mm。組成的試件2的外形尺寸為:500 mm×528 mm×99 mm。2 個試件的翅片厚度為0.25 mm,翅片間距為2.5 mm,管子均為正方形排列,主要尺寸匯總于表1。紫銅的導熱系數很高,基管的管壁很薄,因此,傳熱計算中翅片的導熱熱阻和管壁的導熱熱阻可以忽略不計。

表1 試件參數表

1.2 實驗及數據處理方法

實驗的換熱量由下式計算

(1)

(2)

式中Qo,Qa——油、空氣換熱量/W;

Go,Ga——油、空氣流量/kg·s-1;

Co,Ca——油、空氣比熱,J·kg-1。

為了保證數據的可靠性,對于每個工況的實驗數據都要進行熱平衡(油和空氣換熱量的相對誤差)的校驗。測試熱平衡的數值控制在±5%以內,以保證實驗數據的可靠性。

總傳熱系數K按下式計算

(3)

式中A——總傳熱面積(取管外總表面積Ao)/m2;

Δtm——對數平均溫差/℃;

K——總傳熱系數/W·(m2·℃)-1。

忽略壁面導熱熱阻和翅片導熱熱阻的傳熱熱阻計算式為

(4)

式中hi——管內油的對流換熱系數/W·(m2·℃)-1;

ho——管外空氣的自然對流換熱系數/W·(m2·℃)-1;

Ao——管外總表面積/m2;

Ai——管內表面積/m2。

采用熱阻分離法分離變量得出ho

(5)

管內油的流動屬于層流,對流換熱系數hi采用下式計算[9]

(6)

(7)

(8)

式中l——管道長度/m;

d——管道直徑/m;

ηf——以流體的平均溫度來計算的動力粘度/Pa·s;

ηw——以壁面的平均溫度計算的動力粘度/Pa·s;

u——管內油流速/m2·s-1;

v——運動粘度/m2·s-1;

Prf——普朗特數。

綜上,管外空氣的自然對流換熱系數ho可由式(5)計算得到。管內的換熱系數越高,即管內的換熱熱阻越小,通過式(5)計算得到的ho越準確。因此,盡可能提高實驗時管內的油流速,降低管內熱阻,能夠提高分離出來的管外自然對流換熱系數的準確性。

管外空氣在翅片間隙中流動,可參考豎直夾層的有限空間自然對流換熱計算式[9]

(9)

(10)

(11)

式中g——重力加速度/m·s-2;

δ——翅片間隙/m;

Hc——試件高度,即翅片寬度/mm;

λ——空氣的導熱系數/W·(m·℃)-1;

v——運動粘度/m2·s-1;

Δt——tw-t∞,壁面溫度與空氣入口溫度差/℃;

α——體脹系數/K-1;

C——待定系數。

兩個試件不同的管外徑d和排間距(管間距)S對換熱存在影響。引入無量綱數S-d/d修正管徑和管間距的影響。風筒的高度Ha不同,拔風的能力也不同,對換熱也有影響。引入無量綱數(Ha/Hc)修正風筒高度相對試件高度的影響。這樣,在式(9)的基礎上,得到如下計算模型

(12)

上式中,C、m、n為待定系數和指數,通過實驗數據的擬合獲得。

2 實驗結果及分析

2.1 試件1和試件2的對比實驗結果和分析

實驗參數取進口油溫為80 ℃,進口空氣溫度約為33 ℃。油流速為1.0 m/s,對兩個試件進行對比實驗。實驗數據如表2所示,其中前兩列數據為風筒高度為1.5 m時試件1和試件2的對比數據,后兩列為風筒高度為2.5 m時試件1和試件2的對比數據。其中,自然對流溫差為壁面溫度與空氣進口溫度之差。

表2 試件1和試件2實驗數據表

試件2的總傳熱系數和管外的空氣自然對流換熱系數都大于試件1,說明較小管間距的自然對流換熱效果更好。根據2個試件的結構數據,式(12)中C(Hc/δ)-1/9(Ha/Hc)m項相同,因此可以根據表2中的實驗數據對式(12)中的待定系數n進行擬合,得出n=-3.253。

2.2 試件2的實驗結果及分析

接下來對試件2進行變風筒高度Ha和換熱溫差Δt的實驗,以擬合得出式(12)中的C、m待定常數。

在風筒高度相同的情況下,改變進口油溫,以改變換熱溫差Δt,得到總傳熱系數和管外換熱系數。其結果如圖4所示,從圖中可以看出,油溫越高,其總傳熱系數和管外自然對流換熱系數越大。由理論經驗可知油溫升時,油的粘性隨著溫度升高而降低,所以油溫越高,油的流速越大,油的管內對流換熱系數越高;其次,油溫越高、換熱溫差越大,管外自然對流換熱系數越高、總換熱系數也越大。

圖4 總傳熱系數和自然對流換熱系數圖

在油溫相同的情況下,改變風筒的高度,得到總傳熱系數和管外自然對流換熱系數。其結果如圖4所示,從圖中可以看出,隨著風筒高度的增加總傳熱系數和管外自然對流換熱系數都增加。風筒的高度增加,拔風的能力增加,空氣流速增加,所以管外自然對流換熱系數增加、總傳熱系數增加。

根據試件1和試件2的實驗數據,通過擬合,得到了式(12)中的待定常數,C=0.17,m=0.7。

得到疊片式換熱器空氣自然對流換熱計算的關聯式如下

(13)

由實驗數據得到適合本實驗瑞麗數Ra的取值范圍

Ra=GrPr

(14)

2.2×106≤Ra≤4.1×106

將(13)式的計算數據與實驗數據比較,其誤差如圖5所示,所有工況的相對誤差在±11%以內。

圖5 自然對流換熱系數計算值與實驗值的偏差

3 結論

(1)試件2的總傳熱系數和管外的空氣自然對流換熱系數都大于試件1,說明較小的管間距的自然對流換熱效果更好,擬合得到了空氣自然對流換熱系數與管間距和管徑的關系。

(2)管外空氣自然對流換熱系數ho在相同的風筒高度時,隨著換熱溫差Δt的增加而增加,這一點與經典的自然對流換熱理論是吻合的。在相同的換熱溫差Δt時,管外自然對流換熱系數ho隨著風筒高度的增加而增加。

(3)擬合得到了疊片式空冷器的管外空氣自然對流換熱的計算關聯式,該關聯式綜合考慮了管間距、管徑、試件高度、翅片間隙、換熱溫差、物性的影響。該關聯式與實驗數據的偏差較小,為±11%,可用于疊片式空冷器的自然對流換熱的設計計算,也可為其它翅片管空冷器的自然對流換熱計算提供參考。