疊片式空氣冷卻器自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究

李 彬,歐陽(yáng)新萍

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)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(kāi)有若干個(gè)帶翻邊的管孔,將若干翅片呈層疊狀套在數(shù)根管子上,再用脹接的方法使翅片和管子緊密接觸,就構(gòu)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(dòng)更強(qiáng),因而換熱效果更好,在石油化工行業(yè)有較多應(yīng)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(qiáng)制對(duì)流冷卻場(chǎng)合,也有用于空氣自然對(duì)流冷卻場(chǎng)合的。自然對(duì)流冷卻不用配置風(fēng)機(jī)、不消耗風(fēng)機(jī)電能、噪聲小,有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)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(shè)方法對(duì)于近似封閉空間內(nèi)的自然對(duì)流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,認(rèn)為在小溫差下使用Boussinesq近似可以一定程度上減少計(jì)算量,但在大溫差下誤差較大。Clifford等[5]研究了通道寬度對(duì)水平圓管自然對(duì)流的影響,在高瑞麗數(shù)、最佳壁間距離的情況下,等溫表面的傳熱系數(shù)提高了74.2%。馬騰飛等[6]對(duì)在大空間里的管束做了數(shù)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(qū)域空氣平均流速基本相等的結(jié)論,為管束區(qū)域的空氣流動(dòng)計(jì)算做了化簡(jiǎn)。叢曉春等[7]對(duì)平直翅片管式換熱器進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱模型的計(jì)算,提出了翅片間距與特征長(zhǎng)度組成的無(wú)量綱常數(shù)對(duì)Nu和阻力因子f的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,并分析其影響規(guī)律。劉逸等[8]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)影響開(kāi)縫型組合換熱器傳熱效率的因素進(jìn)行了研究,考慮了傳熱條件較好的情況下的入口風(fēng)速、翅片厚度和后排開(kāi)縫數(shù),并擬合出相關(guān)的傳熱流阻關(guān)聯(lián)式。從已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),關(guān)于有限空間自然對(duì)流的研究多為封閉空間或者是大空間自然對(duì)流,很少有針對(duì)翅片管換熱器的自然對(duì)流計(jì)算公式,且很少看到加裝風(fēng)筒對(duì)其自然對(duì)流影響的文獻(xiàn)。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(fēng)筒高度對(duì)有限空間自然對(duì)流的影響,拓展疊片式空冷器在自然對(duì)流中的應(yīng)用,本文進(jìn)行了此次研究。

本文對(duì)兩種不同管徑和管間距的疊片式翅片管空冷器進(jìn)行自然對(duì)流換熱的對(duì)比實(shí)驗(yàn),得到了試件在一系列實(shí)驗(yàn)工況下的傳熱數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算得出了空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)以及與管徑、管間距、翅片間隙、試件高度、風(fēng)筒高度等參數(shù)的關(guān)系,為自然對(duì)流換熱的疊片式空冷器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù),也為其它翅片管空冷器的自然對(duì)流換熱計(jì)算提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及傳熱計(jì)算模型

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)描述

用于實(shí)驗(yàn)的試件有兩個(gè),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(shí)驗(yàn)的廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的兩款產(chǎn)品,旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出這兩款產(chǎn)品的換熱性能,并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)發(fā)出滿足各種市場(chǎng)需求的其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

圖1 試件1模型圖

圖2 試件2模型圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。試件安放于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,管子進(jìn)出接口與系統(tǒng)的油管路連接,油管內(nèi)通30#透平油,通過(guò)油泵驅(qū)動(dòng)油循環(huán)。油箱內(nèi)布置加熱器對(duì)油進(jìn)行加熱。試件油路進(jìn)出口位置布置A級(jí)熱電阻溫度計(jì),用于測(cè)量油進(jìn)出試件的溫度,測(cè)量精度±(0.15+0.002t)℃。油管路中布置橢圓齒輪流量計(jì),用于測(cè)量油的流量,測(cè)量精度0.5%。為了增強(qiáng)自然對(duì)流換熱效果,在試件上方安裝風(fēng)筒。空氣進(jìn)出試件的溫度由A級(jí)熱電阻溫度計(jì)測(cè)量,分別布置在試件入口處和風(fēng)筒出口處,測(cè)量精度±(0.15+0.002t)℃?？諝饬魉儆傻聢D品牌熱線風(fēng)速儀測(cè)量,布置在風(fēng)筒出口處,測(cè)量精度±(0.03 m/s+5%測(cè)量值)。流速與風(fēng)筒截面積的乘積即為空氣流量。安裝于試件之上的風(fēng)筒有三段,一段為0.5 m長(zhǎng)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(zhǎng)1.0 m,通風(fēng)截面0.3 m×0.3 m的矩形風(fēng)筒。這三段風(fēng)筒可組合成0.5 m、1.5 m、2.5 m高度的風(fēng)筒。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)為500 mm。組成的試件2的外形尺寸為:500 mm×528 mm×99 mm。2 個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)很高,基管的管壁很薄,因此,傳熱計(jì)算中翅片的導(dǎo)熱熱阻和管壁的導(dǎo)熱熱阻可以忽略不計(jì)。

表1 試件參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)的換熱量由下式計(jì)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(shù)據(jù)的可靠性,對(duì)于每個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都要進(jìn)行熱平衡(油和空氣換熱量的相對(duì)誤差)的校驗(yàn)。測(cè)試熱平衡的數(shù)值控制在±5%以內(nèi),以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

總傳熱系數(shù)K按下式計(jì)算

(3)

式中A——總傳熱面積(取管外總表面積Ao)/m2;

Δtm——對(duì)數(shù)平均溫差/℃;

K——總傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1。

忽略壁面導(dǎo)熱熱阻和翅片導(dǎo)熱熱阻的傳熱熱阻計(jì)算式為

(4)

式中hi——管內(nèi)油的對(duì)流換熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1;

ho——管外空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1;

Ao——管外總表面積/m2;

Ai——管內(nèi)表面積/m2。

采用熱阻分離法分離變量得出ho

(5)

管內(nèi)油的流動(dòng)屬于層流,對(duì)流換熱系數(shù)hi采用下式計(jì)算[9]

(6)

(7)

(8)

式中l(wèi)——管道長(zhǎng)度/m;

d——管道直徑/m;

ηf——以流體的平均溫度來(lái)計(jì)算的動(dòng)力粘度/Pa·s;

ηw——以壁面的平均溫度計(jì)算的動(dòng)力粘度/Pa·s;

u——管內(nèi)油流速/m2·s-1;

v——運(yùn)動(dòng)粘度/m2·s-1;

Prf——普朗特?cái)?shù)。

綜上,管外空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)ho可由式(5)計(jì)算得到。管內(nèi)的換熱系數(shù)越高,即管內(nèi)的換熱熱阻越小,通過(guò)式(5)計(jì)算得到的ho越準(zhǔn)確。因此,盡可能提高實(shí)驗(yàn)時(shí)管內(nèi)的油流速,降低管內(nèi)熱阻,能夠提高分離出來(lái)的管外自然對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。

管外空氣在翅片間隙中流動(dòng),可參考豎直夾層的有限空間自然對(duì)流換熱計(jì)算式[9]

(9)

(10)

(11)

式中g(shù)——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(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·℃)-1;

v——運(yùn)動(dòng)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(shù)/K-1;

C——待定系數(shù)。

兩個(gè)試件不同的管外徑d和排間距(管間距)S對(duì)換熱存在影響。引入無(wú)量綱數(shù)S-d/d修正管徑和管間距的影響。風(fēng)筒的高度Ha不同,拔風(fēng)的能力也不同,對(duì)換熱也有影響。引入無(wú)量綱數(shù)(Ha/Hc)修正風(fēng)筒高度相對(duì)試件高度的影響。這樣,在式(9)的基礎(chǔ)上,得到如下計(jì)算模型

(12)

上式中,C、m、n為待定系數(shù)和指數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合獲得。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件1和試件2的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)參數(shù)取進(jìn)口油溫為80 ℃,進(jìn)口空氣溫度約為33 ℃。油流速為1.0 m/s,對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,其中前兩列數(shù)據(jù)為風(fēng)筒高度為1.5 m時(shí)試件1和試件2的對(duì)比數(shù)據(jù),后兩列為風(fēng)筒高度為2.5 m時(shí)試件1和試件2的對(duì)比數(shù)據(jù)。其中,自然對(duì)流溫差為壁面溫度與空氣進(jìn)口溫度之差。

表2 試件1和試件2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

試件2的總傳熱系數(shù)和管外的空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)都大于試件1,說(shuō)明較小管間距的自然對(duì)流換熱效果更好。根據(jù)2個(gè)試件的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),式(12)中C(Hc/δ)-1/9(Ha/Hc)m項(xiàng)相同,因此可以根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式(12)中的待定系數(shù)n進(jìn)行擬合,得出n=-3.253。

2.2 試件2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

接下來(lái)對(duì)試件2進(jìn)行變風(fēng)筒高度Ha和換熱溫差Δt的實(shí)驗(yàn),以擬合得出式(12)中的C、m待定常數(shù)。

在風(fēng)筒高度相同的情況下,改變進(jìn)口油溫,以改變換熱溫差Δt,得到總傳熱系數(shù)和管外換熱系數(shù)。其結(jié)果如圖4所示,從圖中可以看出,油溫越高,其總傳熱系數(shù)和管外自然對(duì)流換熱系數(shù)越大。由理論經(jīng)驗(yàn)可知油溫升時(shí),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(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)越高;其次,油溫越高、換熱溫差越大,管外自然對(duì)流換熱系數(shù)越高、總換熱系數(shù)也越大。

圖4 總傳熱系數(shù)和自然對(duì)流換熱系數(shù)圖

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

根據(jù)試件1和試件2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)擬合,得到了式(12)中的待定常數(shù),C=0.17,m=0.7。

得到疊片式換熱器空氣自然對(duì)流換熱計(jì)算的關(guān)聯(lián)式如下

(13)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到適合本實(shí)驗(yàn)瑞麗數(shù)Ra的取值范圍

Ra=GrPr

(14)

2.2×106≤Ra≤4.1×106

將(13)式的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,其誤差如圖5所示,所有工況的相對(duì)誤差在±11%以內(nèi)。

圖5 自然對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的偏差

3 結(jié)論

(1)試件2的總傳熱系數(shù)和管外的空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)都大于試件1,說(shuō)明較小的管間距的自然對(duì)流換熱效果更好,擬合得到了空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)與管間距和管徑的關(guān)系。

(2)管外空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)ho在相同的風(fēng)筒高度時(shí),隨著換熱溫差Δt的增加而增加,這一點(diǎn)與經(jīng)典的自然對(duì)流換熱理論是吻合的。在相同的換熱溫差Δt時(shí),管外自然對(duì)流換熱系數(shù)ho隨著風(fēng)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(duì)流換熱的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,該關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差較小,為±11%,可用于疊片式空冷器的自然對(duì)流換熱的設(shè)計(jì)計(jì)算,也可為其它翅片管空冷器的自然對(duì)流換熱計(jì)算提供參考。