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鹽霧腐蝕對銅翅片換熱器空氣側壓降特性的影響

點擊:1590 日期:[ 2014-04-26 21:14:20 ]
                    鹽霧腐蝕對銅翅片換熱器空氣側壓降特性的影響                       浦 暉1, 丁國良1, 胡海濤1, 高屹峰2     (1.上海交通大學制冷與低溫工程研究所,上海200240; 2.國際銅業協會上海代表處,上海200020)     摘 要:為了研究鹽霧腐蝕對銅翅片換熱器空氣側壓降特性的影響,對4種不同腐蝕程度的銅翅片換熱器進行了實驗,比較分析了不同雷諾數下,經過不同鹽霧腐蝕程度的換熱器和新換熱器的壓降特性.為了分析翅片親水性的變化對壓降的影響,對銅翅片靜態接觸角和動態接觸角進行測試.結果表明,隨著腐蝕時間的增加,銅翅片的靜態和動態接觸角逐漸增大;換熱器空氣側壓降逐漸增大,摩擦因子逐漸減小;當風速在0.5~2.0 m/s時,空氣側壓降最大增加17.5%~21.6%.     關鍵詞:鹽霧腐蝕;翅片管;銅翅片;壓降     中圖分類號:TK 124   文獻標志碼:A     銅翅片銅管換熱器主要應用在沿海、船舶行駛環境的制冷系統和化工設備[1-2]中,與鋁翅片銅管換熱器相比,銅翅片銅管換熱器具有較強的抗腐蝕和抗菌能力.由于在沿海、船舶行駛和化工設備所處環境的空氣濕度和鹽的含量較高,故應用在上述環境中的銅翅片銅管換熱器經過長時間運行后會產生不同程度的鹽霧腐蝕.鹽霧腐蝕會改變翅片材料的表面特性,腐蝕后產生的腐蝕污垢會影響翅片的親水性和換熱器的空氣側壓降特性.在已有對銅翅片的研究中,主要分析經過鹽霧腐蝕后換熱器材料的強度變化和微觀機理[3-4].對銅翅片親水性的研究,主要集中分析銅翅片親水處理的方法.Boehmite方法是目前應用最廣泛的銅翅片表面親水處理方法,經過Boehmite方法處理后的銅翅片后退接觸角可以從45°減小到20°,表明銅翅片親水性得到明顯改善[5].慎利峰等[6]開發一種親水處理工藝,實驗表明,經過親水處理后的銅翅片親水性得到改善,但經過親水方法處理后的換熱器與未經過親水處理的換熱器換熱量相當.在已有的鹽霧腐蝕對換熱器壓降性能影響的研究文獻中,目前還主要集中在經過鹽霧腐蝕后鋁翅片銅管換熱器壓降性能的變化[7-8],還未發現關于鹽霧腐蝕對銅翅片銅管換熱器壓降特性的影響研究工作.     本文的目的是通過實驗的方法,對經過鹽霧腐蝕和未經過鹽霧腐蝕的銅翅片銅管換熱器在不同風速下,測試其壓降性能隨鹽霧腐蝕時間增加的變化情況.為了分析引起壓降變化的原因,本文對未經過鹽霧腐蝕和經過鹽霧腐蝕的銅翅片靜態接觸角、動態前進接觸角和動態后退接觸角分別進行測量,分析接觸角變化對空氣側壓降的影響.     1 實驗對象和裝置     1.1 實驗對象     實驗中采用4個人字波紋翅片管換熱器,其結構采用紫銅管外嵌整體式銅翅片,如圖1所示.圖中,s、b、h1、h2和θ分別為翅片間距、翅片厚度、翅片投影長度、翅片高度和波紋角.其中,3個銅翅片管換熱器分別在鹽霧環境中腐蝕處理,另外1個換熱器不進行鹽霧腐蝕,用來與3個腐蝕換熱器進行壓降性能的對比.腐蝕實驗按照ISO 9227:2006標準執行.實驗條件:氯化鈉溶液濃度為(50±5) g/L,pH值保持在7.0±0.2;試驗箱箱內溫度保持在(35+1)°C,試件與垂直方向成20°±1°夾角擺放;噴霧量控制在(1.0±0.2)mL/(80 cm2·h)內.在上述條件下對3個銅翅片銅管換熱器分別腐蝕100、200和400 h.腐蝕后的翅片與未腐蝕的翅片照片如圖2所示.                                 1.2 測試裝置     1.2.1 接觸角的測量 實驗分別測量水滴在銅片表面的靜態接觸角、前進接觸角和后退接觸角.本實驗采用躺滴法測量,測量儀器簡圖如圖3所示.測量原理為:測量靜態接觸角時,將液滴滴到被測試樣表面,液滴穩定后測量液滴與被測試樣表面的夾角即為靜態接觸角;測量動態接觸角時,通過微量注射器往液滴中逐漸注入液體,當液滴與銅片的接觸線移動時,所測量的角度為前進接觸角.同樣,通過微量注射器往液滴中逐漸抽出液體,當液滴與銅片的接觸線移動時,所測量的角度為后退接觸角.測量接觸角時,在被測樣本表面隨機選擇5個測量點,取5個測量值的平均值為實際接觸角.                     1.2.2 空氣側壓降的測量 空氣側壓降實驗裝置如圖4所示.它是由封閉式空氣回路和冷卻水回路組成.換熱器的空氣側壓降由安裝在測試段兩側的壓差傳感器來測量,空氣的流量由噴嘴室來測量,入口空氣的干球溫度和相對濕度通過加熱器和加濕器來調節.有關實驗原理和裝置的詳細介紹參見文獻[9].空氣側壓降性能測試實驗工況如下:空氣側入口溫度ta,in=(27±0.2)°C,空氣側入口相對濕度RHa=(50±2)%,空氣側入口風速va,in=0.5,1.0,1.5,2.0 m/s,水側入口溫度tw,in=(5±0.5)°C.對實驗臺進行了誤差分析,分析結果如下:空氣側壓降的誤差限為±0.4%≤Δp≤±3.3%,摩擦因子的誤差限為±4.0%≤f≤±8.7%.有關誤差分析的詳細介紹參見文獻[10].                     3 實驗結果分析     3.1 鹽霧腐蝕對翅片親水性的影響     由于經過鹽霧腐蝕后翅片表面親水性發生變化,故為了分析翅片親水性變化對空氣側壓降的影響,分別對未經鹽霧腐蝕和經過100、200、400 h鹽霧腐蝕后的銅翅片接觸角進行測試.圖5所示描述了水在翅片表面的靜態接觸角(θs)、動態前進接觸角(θa)和動態后退接觸角(θr)的變化情況.由圖可見,θs隨鹽霧腐蝕時間的增加而增大.對于未經鹽霧腐蝕的翅片,水和翅片的θs=94°,經過200 h鹽霧腐蝕后的翅片,θs增大到125°;經過400 h鹽霧腐蝕后的翅片,θs增大到144°,比未經鹽霧腐蝕的翅片接觸角增大53.2%.另外,θa和θr均隨鹽霧腐蝕時間的增加而增大.對于θa,水和未經鹽霧腐蝕的翅片的θa=98°,經過400 h鹽霧腐蝕后的翅片,θa增大到158°,比未經鹽霧腐蝕的翅片的θa增大61.2%.對于θr,水和未經鹽霧腐蝕的翅片的θr=48°,經過400 h鹽霧腐蝕后的翅片,θr增大到67°,比未經鹽霧腐蝕的翅片的θr增大18.8%.θr對換熱器翅片表面冷凝水的冷凝形態起主要作用[4],θr的增大表明翅片的親水性隨鹽霧腐蝕時間的增加而逐漸惡化,進而在析濕工況下增大空氣側壓降.                    3.2 鹽霧腐蝕對壓降特性的影響     圖6描述了當va,in=0.5~2.0 m/s,RHa=50%,ta,in=27°C時,鹽霧腐蝕時間對空氣側壓降的影響.                    由圖6可見,對未經過鹽霧腐蝕的換熱器和經過100、200和400 h鹽霧腐蝕后的換熱器,空氣側壓降隨腐蝕時間的增加而增大.當風速為0.5 m/s時,與未經過鹽霧腐蝕的換熱器相比,經過鹽霧腐蝕的換熱器空氣側壓降最大增大17.5%;當風速增大到2.0 m/s時,經過鹽霧腐蝕的換熱器比未經過鹽霧腐蝕的換熱器的空氣側壓降增大21.6%.這主要是因為:由圖4可知,經過鹽霧腐蝕后的翅片θr隨腐蝕時間的增大而增大,而θr越大,在翅片間越容易附著水滴和形成水橋,從而增大壓降.另外,經過鹽霧腐蝕的換熱器翅片表面由于覆蓋了不均勻的腐蝕污垢(銅銹),覆蓋的腐蝕污垢也會起到增大空氣側壓降的作用.     圖7描述了鹽霧腐蝕時間對摩擦因子f[11]的影響.由圖可見,f隨腐蝕時間的增加而減小,并且在相同雷諾數(Re)時,腐蝕時間越長,f越大.f的增加主要是由于翅片的θr隨鹽霧腐蝕時間增大而增大,使翅片間水橋增多的結果.                      4 結 論     (1)銅翅片的靜態接觸角、動態前進接觸角和動態后退接觸角均隨腐蝕時間的增加而增大,因此,翅片的親水性隨腐蝕時間的增加而變差.對于未經過腐蝕的新翅片,靜態接觸角為94°,動態前進接觸角為108°,動態后退接觸角為48°.經過400 h鹽霧腐蝕后,靜態接觸角、動態前進接觸角和后退接觸角分別增大53.2%、61.2%和18.8%.     (2)銅翅片換熱器空氣側壓降會隨腐蝕時間的增加而增大,摩擦因子f隨腐蝕時間的增加逐漸減小.對于經過100、200和400 h腐蝕后的銅翅片換熱器,與未受腐蝕換熱器相比,當風速在0.5~2.0m/s時,空氣側壓降最大增加17.5%~21.6%.     參考文獻:略
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