開縫管換熱器空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性的實驗研究

開縫管換熱器空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性的實驗研究

析濕工況下的翅片空氣側(cè)特性為了設(shè)計一個帶有親水性的傾斜縫紉機槍管換熱器，必須了解該換熱器的空氣特性。已有的對于開縫型翅片管換熱器在析濕工況下空氣側(cè)特性的研究僅限于不帶親水層的開縫型翅片。作者前期進行的對于析濕工況下波紋翅片的研究發(fā)現(xiàn),帶親水層的翅片管換熱器的空氣側(cè)特性與不帶親水層的有很大區(qū)別。因此有必要對帶親水層的開縫型翅片的空氣側(cè)特性進行研究。本文通過實驗方法測試7種不同結(jié)構(gòu)的帶親水層開縫型翅片管換熱器在不同析濕工況下的空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性,分析翅片間距和入口相對濕度對空氣側(cè)特性的影響,開發(fā)空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。1系統(tǒng)組成和功能實驗裝置的示意圖如圖1所示。實驗系統(tǒng)包括3部分:空氣側(cè)回路系統(tǒng)、水回路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)的詳細(xì)介紹及誤差分析可參見文獻。2制備百葉窗翅片的工藝本文研究的翅片管換熱器由整體式鋁合金翅片和紫銅管組成。研究對象為4個帶親水層的條縫型翅片管換熱器和3個帶親水層的百葉窗翅片管換熱器,其中條縫翅片的示意圖和詳細(xì)尺寸如圖2所示,百葉窗翅片的示意圖和詳細(xì)尺寸如圖3所示。換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。表面經(jīng)過防腐和親水處理的翅片涂層結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中親水層和耐蝕層的材料均為有機樹脂。翅片圖層的加工工藝如圖5所示。實驗測試工況如表2所示。3空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù)hs本文采用Colburn傳熱因子Jh和Colburn傳質(zhì)因子Jm來描述翅片管換熱器空氣側(cè)的傳熱傳質(zhì)特性。Jh和Jm的物理意義分別為量綱1對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳質(zhì)系數(shù)。Jh的定義式為Jh=hsGccp,aPr2/3(1)Jh=hsGccp,aΡr2/3(1)式中Gc=maAmin(2)Gc=maAmin(2)式(1)中的空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù)hs的求解如下:當(dāng)換熱器運行在濕工況時,換熱器空氣側(cè)換熱量由顯熱換熱量和潛熱換熱量組成Q=Qs+Ql=η0A0[hs(Ta,dry-Tfb)+hmifg(Wa-Wfb)](3)其中η0=(A1+ηf,h,wetA2)/A0(4)η0=(A1+ηf,h,wetA2)/A0(4)假定熱質(zhì)比擬關(guān)系式hshmcp,a=R(5)hshmcp,a=R(5)將式(4)和式(5)帶入式(3)得Q=(A1+ηf,h,wetA2)hs[(Ta,dry?Tfb)+ifgcp,aR(Wa?Wfb)](6)Q=(A1+ηf,h,wetA2)hs[(Τa,dry-Τfb)+ifgcp,aR(Wa-Wfb)](6)通過式(6)轉(zhuǎn)換便可得到空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù)求解方程hs=Q(A1+ηf,h,wetA2)[(Ta?Tfb)+ifgcp,aR(Wa?Wfb)](7)hs=Q(A1+ηf,h,wetA2)[(Τa-Τfb)+ifgcp,aR(Wa-Wfb)](7)式(5)中的換熱量Q取空氣側(cè)和水側(cè)換熱量的平均值,即Q=(Qa+Qw)/2(8)Q=(Qa+Qw)/2(8)空氣側(cè)換熱量Qa和水側(cè)換熱量Qw由空氣側(cè)和水側(cè)各自測得的焓差確定。根據(jù)ASHRAE33-78的要求,只有滿足|Qw?Qa|/Q≤0.05|Qw-Qa|/Q≤0.05的數(shù)據(jù)才確認(rèn)為有效實驗數(shù)據(jù)。濕翅片效率采用Liang等的分析方法按照全濕工況和部分濕工況進行計算。Jm的定義式為Jm=hmGcSc2/3(9)Jm=hmGcSc2/3(9)空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)hm根據(jù)傳熱傳質(zhì)相似原理通過式(10)實現(xiàn)hm=M(A1+ηf,mA2)(Wa?Wfb)(10)hm=Μ(A1+ηf,mA2)(Wa-Wfb)(10)冷凝速率M可通過式(11)求解M=ma(Wa,in-Wa,out)(11)由于熱質(zhì)比擬關(guān)系R為假定,因此數(shù)據(jù)處理過程中需要迭代求解。4結(jié)果分析4.1小孔徑翅片背景下小探索空氣側(cè)傳熱特性圖6表示析濕工況下翅片間距對開縫翅片空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性的影響。圖中橫坐標(biāo)為基于包含翅片厚度管外徑的Reynolds數(shù),縱坐標(biāo)為Jh和Jm。從圖中可以看出:(1)條縫翅片的空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性比百葉窗翅片的要好。在傳熱方面主要是因為條縫翅片破壞換熱邊界層比百葉窗要強,在傳質(zhì)方面主要是因為百葉窗翅片更容易滯留水滴。(2)在相同入口空氣狀態(tài)條件下,小管徑翅片管換熱器空氣側(cè)的傳熱和傳質(zhì)特性比大管徑的要好。這主要是因為小管徑管后形成的渦流區(qū)域較小以及管壁上黏附的冷凝水膜較薄的緣故。(3)具有較小翅片間距換熱器空氣側(cè)的換熱特性比較大翅片間距的要好,這種現(xiàn)象在較低Reynolds數(shù)的情況下更為明顯。這同干工況的測試結(jié)果相類似。(4)具有較小翅片間距換熱器空氣側(cè)的傳質(zhì)特性比較大翅片間距的要好。這主要是因為當(dāng)翅片間距增大時,冷凝水在翅片間管外壁形成的冷凝水膜會越來越厚,從而減弱空氣側(cè)的傳質(zhì)特性。4.2入口濕度的影響圖7表示析濕工況下入口空氣相對濕度以及入口水溫對開縫翅片空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性的影響。從圖中可以看出,入口相對濕度對空氣側(cè)的傳熱特性幾乎沒有影響,這同Pirompugd等對析濕工況下波紋翅片空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性研究得到的結(jié)果類似。而隨著入口相對濕度的增加,空氣側(cè)的傳質(zhì)特性則隨之減弱,且在空氣干球溫度和水溫溫差較小時更加明顯。這主要是因為隨著入口相對濕度的增加,翅片管換熱器表面的冷凝水也越來越多,從而降低空氣側(cè)的傳質(zhì)特性。5傳熱因子關(guān)聯(lián)式根據(jù)實驗數(shù)據(jù),作者運用多元線性回歸方法開發(fā)了析濕工況下帶親水層開縫翅片管換熱器空氣側(cè)Jh和Jm的關(guān)聯(lián)式Jh=0.1226Re?0.3638Dc(PtPl)1.8295(FpDc)?0.0071×(Ta,dryTw)?0.0926RH0.1452N0.0324(12)Jh=0.1226ReDc-0.3638(ΡtΡl)1.8295(FpDc)-0.0071×(Τa,dryΤw)-0.0926RΗ0.1452Ν0.0324(12)Jm=0.0012Re?0.0804Dc(PtPl)4.2452(FpDc)?0.9068×(Ta,dryTw)0.2489RH?0.2133N0.8817(13)Jm=0.0012ReDc-0.0804(ΡtΡl)4.2452(FpDc)-0.9068×(Τa,dryΤw)0.2489RΗ-0.2133Ν0.8817(13)式(12)和式(13)的應(yīng)用范圍為:ReDc350～4500,Fp1.2～1.8mm,RHin50%～80%,Ta,dry20～35℃,Tw6～18℃。如圖8和圖9所示,所開發(fā)的傳熱因子Jh和傳質(zhì)因子Jm關(guān)聯(lián)式在±15%誤差范圍內(nèi)分別能涵蓋96.6%和81.4%的實驗數(shù)據(jù),平均誤差分別為5.3%和8.5%。關(guān)聯(lián)式和實驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)比較如表3所示。6colburn傳質(zhì)因子的關(guān)聯(lián)式(1)在相同入口空氣狀態(tài)條件下,小管徑翅片管換熱器空氣側(cè)的傳熱和傳質(zhì)特性比大管徑的要好。條縫翅片的空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性比百葉窗翅片的要好。(2)具有較小翅片間距換熱器空氣側(cè)的換熱特性比較大翅片間距的要好,隨著翅片間距的增加,空氣側(cè)的傳質(zhì)特性逐漸減弱。(3)入口相對濕度對空氣側(cè)的傳熱特性幾乎沒有影響。隨著入口相對濕度的增加,空氣側(cè)的傳質(zhì)特性逐漸減弱。(4)開發(fā)了反映空氣側(cè)傳熱傳質(zhì)特性的Colburn傳熱因子Jh和Colburn傳質(zhì)因子Jm的關(guān)聯(lián)式。所開發(fā)的關(guān)聯(lián)式在±15%誤差范圍內(nèi)分別能涵蓋96.6%、81.4%的實驗數(shù)據(jù),平均誤差分別為5.3%和8.5%。Amin——空氣側(cè)最小流通面積,m2A0——空氣側(cè)總面積,m2A1——空氣側(cè)管外壁面積,m2A2——空氣側(cè)翅片表面積,m2cp——比熱容,J·kg-1·K-1Dc——基于翅根的管外徑,mmFp——翅片間距,mmGc——基于最小流通面積的質(zhì)量流量,kg·m-2·s-1hm——空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù),kg·m-2·s-1hs——空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù),W·m-2·K-1ifg——飽和水蒸氣的潛熱,kJ·kgJh——傳熱因子Jm——傳質(zhì)因子M——冷凝速率,kg·s-1m——質(zhì)量流量,kg·s-1N——管排數(shù)Pl——排間距,mmPt——管間距,mmQ——換熱量,WR——熱質(zhì)比擬關(guān)系Re——Reynolds數(shù)RH——相對濕度Sc——Schmidt數(shù)T——溫度,℃v——流速,m·s-1W——絕對濕度,kg·kg-1δf——翅片厚度,mηf,h——傳熱翅片效率ηf,m——傳質(zhì)翅片效率η0——換熱器總效率換熱量時翅片的性能a——空氣dry——干球fb——翅根in——入口l——潛熱s——顯熱換熱器在運行過程中主要熱阻在空氣側(cè),為了降低換熱器空氣側(cè)熱阻,增強換熱器的換熱量,通常采用強化翅片來代替平翅片。目前所開發(fā)出來的強化翅片主要包括波紋片和開縫片(百葉窗和條縫)兩種,開縫型