不同封頭結(jié)構(gòu)對(duì)板翅式換熱器換熱性能的影響

發(fā)布時(shí)間：2009-12-14 瀏覽：3002

      板翅式換熱器以其傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、適應(yīng)性廣的特點(diǎn),已在空分、石油化工和船舶制冷等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際使用中,換熱器部件設(shè)計(jì)不當(dāng)、制造工藝以及安裝等原因會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部物流分配不均,造成換熱器內(nèi)部溫度分布不均勻,致使換熱效率降低[1,2]。其中封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是引起換熱器內(nèi)部物流分配不均的重要因素[3~5]。

　　國內(nèi)外許多研究人員針對(duì)物流分配對(duì)換熱器效能的影響進(jìn)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(jì)算方面,換熱性能的試驗(yàn)研究卻很少見。因此,利用換熱實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在物流分配和溫度分布實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)封頭結(jié)構(gòu)不同時(shí)板翅式換熱器的換熱性能進(jìn)行了研究。

　　1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　實(shí)驗(yàn)采用空氣為熱流體,水為冷流體,逆流方式布置。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象是經(jīng)過�；�結(jié)構(gòu)的目前某空分廠正在使用的板翅式換熱器和導(dǎo)流體[3,6]。將試件出口截面劃分為30個(gè)小的區(qū)域[6],每個(gè)小區(qū)作為1個(gè)通道,從而可以實(shí)現(xiàn)小通道流量,進(jìn)、出口壓差(阻力)及溫度的測量。

　　實(shí)驗(yàn)中換熱器冷側(cè)為固定安裝的基本型封頭,而熱側(cè)為可拆裝的不同結(jié)構(gòu)的封頭。分別對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的封頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以研究其對(duì)換熱器換熱性能的影響。首先采用工業(yè)上普遍應(yīng)用的基本型封頭,其結(jié)構(gòu)尺寸與文獻(xiàn)[3]中定義的封頭A一致。其次采用孔板型封頭結(jié)構(gòu),即在基本型封頭內(nèi)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(cuò)排擋板的定義為C型封頭�？装逍头忸^結(jié)構(gòu)和孔板結(jié)構(gòu)見圖2。

　　2實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

　　2.1傳熱性能

　　實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(cè)的雷諾數(shù)是影響傳熱系數(shù)的主要因素,因此在實(shí)驗(yàn)中做了如下簡化:①未考慮換熱過程中的漏熱損失和軸向?qū)�熱。②由于空氣�?cè)的熱阻是主要部分,因此在計(jì)算過程中忽略了冷側(cè)水的熱阻、隔板的熱阻、換熱器兩側(cè)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(dòng)。

　　2.1.1傳熱系數(shù)

　　封頭結(jié)構(gòu)不同時(shí)計(jì)算得到的換熱器傳熱系數(shù)K與Re的關(guān)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(shí),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(shí),封頭A的K=108.54W/(m2·K),封頭C的K=122.59W/(m2·K),相差12.9%;當(dāng)Re= 2100時(shí),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(shí)際換熱過程中,當(dāng)Re較大時(shí),使用改進(jìn)型封頭結(jié)構(gòu)能明顯地提高換熱器的傳熱系數(shù),強(qiáng)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(cè)摩擦因數(shù)f與Re的關(guān)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(shí)。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(dòng)阻力增加,在強(qiáng)化換熱器換熱的同時(shí)增大了流動(dòng)阻力,符合傳熱學(xué)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(dāng)Re=900時(shí),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(shí)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(qiáng)化換熱而造成的阻力損失。

 

 

　　2.2熱力學(xué)分析

　　2.2.1熱力過程分析

　　以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ),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(jìn)、出口溫度,Tw1、Tw2分別為水的進(jìn)、出口溫度,K。根據(jù)熱力學(xué)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(jì)算參數(shù),則空氣火用的變化為:

　　2.2.2計(jì)算結(jié)果分析

　　在水側(cè)入口條件不變時(shí),隨著空氣側(cè)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(dòng)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(cè)Re關(guān)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(jìn)的效果也越明顯。Re= 900時(shí),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(shí),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(jì)算時(shí)要用到多個(gè)流體參數(shù),而不像采用能效率計(jì)算時(shí)僅與溫度有關(guān)[7],因而其值更能貼近換熱器的實(shí)際換熱效果,更具有比較意義。

　　3結(jié)語

　　(1)通過換熱性能實(shí)驗(yàn),計(jì)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(guān)系。結(jié)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(nèi)是可以接受的。

　　(2)通過對(duì)熱力學(xué)過程進(jìn)行分析,計(jì)算出了換熱器火用效率隨Re的變化關(guān)系。結(jié)果表明,隨著Re的增大,流動(dòng)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。孔板型封頭性能始終要優(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(cuò)排孔板型封頭結(jié)構(gòu)更為合理。