叠片式空气冷却器自然对流换热实验研究

2023-05-28欧阳新萍

节能技术 2023年2期

李彬,欧阳新萍

(上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)

叠片式空气冷却器是一种高效的,紧凑的空气冷却器[1]。翅片形状通常为矩形,翅片上开有若干个带翻边的管孔,将若干翅片呈层叠状套在数根管子上,再用胀接的方法使翅片和管子紧密接触,就构成了叠片式空气冷却器。相比于其它翅片管空冷器,叠片式空冷器单位体积可布置的翅片面积更多、气流扰动更强,因而换热效果更好,在石油化工行业有较多应用,例如PX装置的芳烃冷却等。

叠片式空气冷却器多用于空气强制对流冷却场合,也有用于空气自然对流冷却场合的。自然对流冷却不用配置风机、不消耗风机电能、噪声小,有其独特优势。国内外很多学者对叠片管的换热情况做了大量的研究[2-3]。宋姗姗等[4]采用Boussinesq假设方法对于近似封闭空间内的自然对流情况进行了数值模拟,认为在小温差下使用Boussinesq近似可以一定程度上减少计算量,但在大温差下误差较大。Clifford等[5]研究了通道宽度对水平圆管自然对流的影响,在高瑞丽数、最佳壁间距离的情况下,等温表面的传热系数提高了74.2%。马腾飞等[6]对在大空间里的管束做了数值模拟,得出了在体积热源和面热源两种不同加热方式的情况下,管束区域空气平均流速基本相等的结论,为管束区域的空气流动计算做了化简。丛晓春等[7]对平直翅片管式换热器进行了流动与传热模型的计算,提出了翅片间距与特征长度组成的无量纲常数对Nu和阻力因子f的计算关联式,并分析其影响规律。刘逸等[8]采用数值模拟的方法对影响开缝型组合换热器传热效率的因素进行了研究,考虑了传热条件较好的情况下的入口风速、翅片厚度和后排开缝数,并拟合出相关的传热流阻关联式。从已有文献发现,关于有限空间自然对流的研究多为封闭空间或者是大空间自然对流,很少有针对翅片管换热器的自然对流计算公式,且很少看到加装风筒对其自然对流影响的文献。为了探明叠片式空冷器在不同的情况下的换热效果以及风筒高度对有限空间自然对流的影响,拓展叠片式空冷器在自然对流中的应用,本文进行了此次研究。

本文对两种不同管径和管间距的叠片式翅片管空冷器进行自然对流换热的对比实验,得到了试件在一系列实验工况下的传热数据,通过计算得出了空气侧的对流换热系数以及与管径、管间距、翅片间隙、试件高度、风筒高度等参数的关系,为自然对流换热的叠片式空冷器的设计提供了依据,也为其它翅片管空冷器的自然对流换热计算提供参考。

1 实验参数及传热计算模型

1.1 实验系统描述

用于实验的试件有两个,命名为试件1和试件2,如图1、图2所示。这两种试件是委托实验的厂家已经开发出来的两款产品,旨在通过实验得出这两款产品的换热性能,并依据实验结果开发出满足各种市场需求的其它结构产品。

图1 试件1模型图

图2 试件2模型图

实验系统图如图3所示。试件安放于实验系统中,管子进出接口与系统的油管路连接,油管内通30#透平油,通过油泵驱动油循环。油箱内布置加热器对油进行加热。试件油路进出口位置布置A级热电阻温度计,用于测量油进出试件的温度,测量精度±(0.15+0.002t)℃。油管路中布置椭圆齿轮流量计,用于测量油的流量,测量精度0.5%。为了增强自然对流换热效果,在试件上方安装风筒。空气进出试件的温度由A级热电阻温度计测量,分别布置在试件入口处和风筒出口处,测量精度±(0.15+0.002t)℃。空气流速由德图品牌热线风速仪测量,布置在风筒出口处,测量精度±(0.03 m/s+5%测量值)。流速与风筒截面积的乘积即为空气流量。安装于试件之上的风筒有三段,一段为0.5 m长的收缩段,由试件的0.5 m×0.5 m截面收缩为0.3 m×0.3 m截面,另两段为长1.0 m,通风截面0.3 m×0.3 m的矩形风筒。这三段风筒可组合成0.5 m、1.5 m、2.5 m高度的风筒。

图3 实验系统图

两个试件的基管为不锈钢,翅片材料为紫铜。试件1的翅片尺寸如图1所示,翅片长为498 mm,宽为124.5 mm。管子为3排12列排列,排间距(管间距)为41.5 mm,列间距为41.5 mm,管子外径为14 mm,壁厚1 mm,管长为500 mm。组成的试件1的外形尺寸为:500 mm×498 mm×124.5 mm。试件2的翅片尺寸如图2所示,翅片长为528 mm,宽为99 mm。管子为3排16列排列,排间距(管间距)为33 mm,列间距为33 mm,管子外径为12 mm,壁厚1 mm,管长为500 mm。组成的试件2的外形尺寸为:500 mm×528 mm×99 mm。2 个试件的翅片厚度为0.25 mm,翅片间距为2.5 mm,管子均为正方形排列,主要尺寸汇总于表1。紫铜的导热系数很高,基管的管壁很薄,因此,传热计算中翅片的导热热阻和管壁的导热热阻可以忽略不计。

表1 试件参数表

1.2 实验及数据处理方法

实验的换热量由下式计算

(1)

(2)

式中Qo,Qa——油、空气换热量/W;

Go,Ga——油、空气流量/kg·s-1;

Co,Ca——油、空气比热,J·kg-1。

为了保证数据的可靠性,对于每个工况的实验数据都要进行热平衡(油和空气换热量的相对误差)的校验。测试热平衡的数值控制在±5%以内,以保证实验数据的可靠性。

总传热系数K按下式计算

(3)

式中A——总传热面积(取管外总表面积Ao)/m2;

Δtm——对数平均温差/℃;

K——总传热系数/W·(m2·℃)-1。

忽略壁面导热热阻和翅片导热热阻的传热热阻计算式为

(4)

式中hi——管内油的对流换热系数/W·(m2·℃)-1;

ho——管外空气的自然对流换热系数/W·(m2·℃)-1;

Ao——管外总表面积/m2;

Ai——管内表面积/m2。

采用热阻分离法分离变量得出ho

(5)

管内油的流动属于层流,对流换热系数hi采用下式计算[9]

(6)

(7)

(8)

式中l——管道长度/m;

d——管道直径/m;

ηf——以流体的平均温度来计算的动力粘度/Pa·s;

ηw——以壁面的平均温度计算的动力粘度/Pa·s;

u——管内油流速/m2·s-1;

v——运动粘度/m2·s-1;

Prf——普朗特数。

综上,管外空气的自然对流换热系数ho可由式(5)计算得到。管内的换热系数越高,即管内的换热热阻越小,通过式(5)计算得到的ho越准确。因此,尽可能提高实验时管内的油流速,降低管内热阻,能够提高分离出来的管外自然对流换热系数的准确性。

管外空气在翅片间隙中流动,可参考竖直夹层的有限空间自然对流换热计算式[9]

(9)

(10)

(11)

式中g——重力加速度/m·s-2;

δ——翅片间隙/m;

Hc——试件高度,即翅片宽度/mm;

λ——空气的导热系数/W·(m·℃)-1;

v——运动粘度/m2·s-1;

Δt——tw-t∞,壁面温度与空气入口温度差/℃;

α——体胀系数/K-1;

C——待定系数。

两个试件不同的管外径d和排间距(管间距)S对换热存在影响。引入无量纲数S-d/d修正管径和管间距的影响。风筒的高度Ha不同,拔风的能力也不同,对换热也有影响。引入无量纲数(Ha/Hc)修正风筒高度相对试件高度的影响。这样,在式(9)的基础上,得到如下计算模型

(12)

上式中,C、m、n为待定系数和指数,通过实验数据的拟合获得。

2 实验结果及分析

2.1 试件1和试件2的对比实验结果和分析

实验参数取进口油温为80 ℃,进口空气温度约为33 ℃。油流速为1.0 m/s,对两个试件进行对比实验。实验数据如表2所示,其中前两列数据为风筒高度为1.5 m时试件1和试件2的对比数据,后两列为风筒高度为2.5 m时试件1和试件2的对比数据。其中,自然对流温差为壁面温度与空气进口温度之差。

表2 试件1和试件2实验数据表

试件2的总传热系数和管外的空气自然对流换热系数都大于试件1,说明较小管间距的自然对流换热效果更好。根据2个试件的结构数据,式(12)中C(Hc/δ)-1/9(Ha/Hc)m项相同,因此可以根据表2中的实验数据对式(12)中的待定系数n进行拟合,得出n=-3.253。

2.2 试件2的实验结果及分析

接下来对试件2进行变风筒高度Ha和换热温差Δt的实验,以拟合得出式(12)中的C、m待定常数。

在风筒高度相同的情况下,改变进口油温,以改变换热温差Δt,得到总传热系数和管外换热系数。其结果如图4所示,从图中可以看出,油温越高,其总传热系数和管外自然对流换热系数越大。由理论经验可知油温升时,油的粘性随着温度升高而降低,所以油温越高,油的流速越大,油的管内对流换热系数越高;其次,油温越高、换热温差越大,管外自然对流换热系数越高、总换热系数也越大。