板翅式气-水换热器传热与阻力性能试验研究

周黛怡杨洪海*郭浩吴亚红张卫锋丁振芳

1东华大学环境科学与工程学院

2无锡方盛换热器股份有限公司

0 引言

汽液板翅式换热器常用在工程机械领域，气体侧的流动特性在整个换热过程中起主导作用，换热器的传热系数主要由气体侧决定[1]。目前，国内研究人员对气液板翅式换热器的传热和流动阻力性能方面已经有过大量研究。在液体侧流量和空气侧流量对换热器性能的影响方面，王婵等人[2]通过热负荷装置研究了水流量对气-水板翅式换热器的散热量，水阻以及进出口温差的影响，拟合出了板翅式气水换热器的散热量、水阻以及水进出口温差与水流量的关系；李广甫等人[3]利用低温空气循环制冷速冻试验台，分析比较了高压和低压条件下空气流量对低温空气制冷系统中板翅式换热器性能的影响，结果表明低压侧空气流量对换热器的效率影响较大，而高压侧空气流量对制冷量的影响较大。此外，还有一些研究人员探讨了不同工况下传热因子与雷诺数之间的关系。张小松[4]等人通过对自行设计的水—空气板翅式换热器进行了用作表面式空气加热器与表面式空气冷却器的实验，得到了空气侧对流换热系数与摩擦系数的准则关系式。然而，却鲜有研究人员系统地对试验所得传热因子及阻力因子与通用关联式所得传热因子及阻力因子进行比较并分析其原因。

本文利用风洞试验台对工程机械用铝制板翅式气-水换热器进行传热性能与阻力性能试验研究。为铝制板翅式气-水换热器在工程机械领域的应用及选型提供参考依据。

1 试验装置

试验在风洞试验台上进行，整个试验装置分为试验试件，试验系统，测量系统以及数据采集系统四个部分。试验台所处的环境为恒温环境，温度维持在20±0.3%℃。实验室内的压力恒定为一个大气压（101.325 kPa）。试验中热介质为65%℃的热水，冷介质为20%℃的空气。

1.1 试验试件

试验试件是一种铝制板翅式换热器，如图1（a）。其中换热器芯体的冷空气侧为波纹型翅片，如图1（b），热水侧为锯齿翅片，如图1（c），试验试件的具体型号及翅片结构参数见表1和表2。

图1 试验试件及翅片结构示意图

表1 板翅式换热器的型号

表2 翅片结构参数

1.2 试验系统

试验系统分为风系统和水系统。其中风系统主要由整流器，风管，均流器，风机以及变频器组成，如图2所示。风系统中进口空气的温度控制在20±0.3%℃，空气流量的变化通过调节变频器来实现。水系统主要由水箱、加热器、水泵等组成，水箱中的水温由192 kW的加热器控制在 65±0.3%℃，水的流量控制在100 L/min。

图2 风系统示意图

1.3 测量系统

1）空气、水进出口温度。水系统中的温度传感器采用PT100铂电阻在板翅式换热器芯体进出口管道上测量，精度为B级。试验过程中控制水的温度恒定为65±0.3℃。冷空气的进出口温度采用PT100温度变送器在换热器前后进出风口测量。

2）空气、水的流量。采用涡轮流量计测量水体积流量，涡轮流量计的精度为0.25%。冷空气的流量采用喷嘴组合测量，试验过程中，保持水的体积流量恒定为100 L/min。

3）试件前后的压差。在试件前后的风道上开设静压测孔，静压孔连接成环状。水系统试件前后的压差采用压差传感器在芯体的进出口管道上测量，精度为0.5%。

1.4 数据采集系统

整个试验过程中所有传感器测量信号采集是由智能数据采集模块来完成并与计算机连接，完成数据的记录和储存。在保证水流量，水和空气的进口温度以及进口压力不变的前提下，通过改变变频风机的转速实现对空气流量的调节。试验数据的采集是在工况稳定后进行的，每次工况稳定时间约为15 min。

2 数据处理

2.1 实验数据计算步骤

2.1.1 传热因子j 的计算

传热因子由式（1）和（2）计算

式中：G为空气侧质量流量，k g/(m2s)；Pr为普朗特数；St为斯坦顿数；α为换热系数；C为空气比热容。

实验中先通过下述公式计算空气侧传热系数，继而通过迭代计算得到传热因子j。

空气侧换热量：

水侧换热量：

热平衡误差，本试验热平衡误差Δ ＜5%，所测数据有效。

平均换热量：

总传热系数：

传热过程热阻：

式中：Qa为空气侧换热量，kW；Cpa为空气的比热容，kJ/(kg·℃)；ma为空气的质量流量，kg/s；ΔTa为空气侧进出口温差；Qw为水侧换热量，kW；Cpw为水的比热容，kJ/(kg·℃)；mw为水的质量流量，kg/s；ΔTw为水侧进出口温差；Ao,w为水侧的总传热面积,m2；Ao,a为空气侧的总传热面积，m2；ηw为蒸汽侧翅片表面效率；ηa为空气侧翅片表面效率，由 于空气侧ηa为换热系数的函数，ηa=f(α)，故 需采用迭代计算才能计算出空气侧换热系数，由此得到翅片传热因子j。

2.1.2 阻力因子f的计算

试验中，试验元件的阻力主要由以下几部分组成：换热器入口，出口以及换热器中心部分阻力。在冷态吹风试验下测得空气流经试件后的压力降 Δp，由范宁公式[5-6]计算得到阻力因子f值

式中：Δp为实验测得空气流经翅片后的压力降，kPa；ρ为实验中空气流经试件进出口平均温度下的密度，kg/m3；De为测试试件空气侧翅片的当量直径，m；Le为测试试件空气侧流道长度，m；u为进入翅片前空气流速，m /s。

3 试验结果分析与讨论

基于前人的研究，关于波纹翅片性能经验式目前研究尚少。Sheik and Velraj[7]通过数值计算得到了波纹翅片的通用关联式，如式（9）-（12）所示。

在100≤Re≤800时

在1000≤Re≤15000时

图3所示是由通用关联式和实验结果得到的传热因子的对比，可以看出：在整个测试工况的雷诺数范围内（0≤Re≤800），两者随雷诺数的变化趋势一致，均随着雷诺数的增加呈指数形式下降。但实验结果明显高于通用关联式（高出20%～40%左右），随着雷诺数的增大，两者偏差有逐渐减小的趋势。是由于通用关联式适用的翅片尺寸范围较广，针对具体一种翅片尺寸，不能保证其精度。为了更好地服务于产品设计及工程应用，需要在实验基础上修正通用关联式。

图3 传热因子随雷诺数变化趋势

图4 所示为经验值和实验得到的阻力因子的对比，可以看出：在 0≤Re＜500 的范围内，实验结果明显高于经验值（高出 2%～52%左右），随着雷诺数的增大，两者的偏差逐渐减小。在 500＜Re≤800 的范围内，经验值高于实验结果（高出 2%～34%左右）且随着雷诺数的增大，两者的偏差逐渐增大。产生偏差的原因如上传热因子所述。因此，对于本文研究的波纹型翅片通过实验得到低雷诺数下（0≤Re≤800），j因子、f因子的拟合关系式：

图4 阻力因子随雷诺数变化趋势

4 结论

本文利用风洞试验台对某工程机械用板翅式气 -水换热器进行传热性能与阻力性能试验研究，并与通用关联式进行比较。试验表明，针对某种特定的翅片验证了通用公式并得到结论：由通用关联式和试验结果计算得到的传热因子相对偏差随着雷诺数的增大而减小。阻力因子的相对偏差呈现先减小后增大并逐渐稳定的趋势。通过实验，对于本文所述的铝制板翅式换热器，修正了通用关联式使得计算结果更准确，为今后铝制板翅式换热器在工程机械领域的应用及选型提供有效参考。

[1]张小松,周乐平.板翅式换热器的散热性能研究[J].流体机械, 1999,(8):307-311.

[2]王婵,冷明全,卢志敏,等.板翅式换热器的散热性能研究[J].广东化工,2014,(1):143-155.

[3]李广甫,郭宪民,张中芳.低温空气制冷系统中板翅换热器性能实验研究[J].低温与超导,2013,(6):72-74.

[4]陈沛霖,岳孝芳.空调与制冷技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[5]张卫星.板翅式换热器的性能分析与实验研究[D].武汉:华中科技大学,2006.

[6]杨志.空分用板翅式换热器波纹翅片传热与阻力性能理论与实验研究[D].杭州: 浙江工业大学,2013.

[7]L Sheik,R Velraj.Studied on Fanning friction and Colburn facto- rs of offset and wavy fins compact plate fin heat exchanger-A CFD approach[J].Numerical Heat Transfer:Part A,2009,56:987 -1005.