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不同環境參數對SK型翅片管式換熱器結霜換熱性能的影響

點擊:1608 日期:[ 2014-04-26 22:51:18 ]
                不同環境參數對SK型翅片管式換熱器結霜換熱性能的影響                                                          王學磊 王厚華              (重慶大學城市建設與環境工程學院重慶400045)    【摘要】以SK型翅片管式換熱器為研究對象,在循環式風洞中對其結霜工況下的性能進行試驗研究,研究了入口空氣流速和相對濕度等環境參數對SK型翅片管式換熱器性能的影響。研究結果表明:結霜工況下,翅片表面未覆蓋滿霜層時,在雷諾數Re=3602~5509,進口相對濕度Φ=60%~80%范圍內,空氣側對流換熱系數隨迎面風速的增大而增大,隨相對濕度的增加而增加;換熱器表面阻力降隨著流速的增加而增大,隨著相對濕度的增大而增大。實驗結果表明,空氣相對濕度對SK型翅片管式換熱器性能的影響遠大于空氣流速的影響。    【關鍵詞】SK型翅片;制冷換熱器;結霜;性能    中圖分類號TK172文獻標識碼A    文章編號:1671-6612(2012)01-001-06    0·引言    目前,干、濕工況下翅片管式換熱器的主流片型是條縫型翅片、百葉窗型翅片和波紋型翅片,與平翅片相比,其優越的換熱性能已為大量的理論研究和實驗研究所證實。但在結霜工況下,翅片表面覆滿霜層時,上述高效翅片的孔縫易被霜層堵塞而喪失其優于平翅片的強化傳熱特征,因此不適用于翅片管式制冷換熱器。因而,目前結霜工況下工作的翅片管式制冷換熱器仍以平翅片為主要片型,高效翅片的使用未見報道。為了研究開發能用于結霜工況下的高效翅片,本課題組歷經多年研究,開發出三對稱大直徑圓孔翅片,簡稱SK型翅片。    文獻[1]利用實驗研究了空氣外掠單排大直徑圓孔翅片管的傳熱與流阻性能,經正交試驗證實:最優大直徑圓孔翅片與平翅片相比,速度為1~8m/s范圍內,翅片表面傳熱系數平均比平翅片增大29.5%,阻力最大增幅則不超過8.0%;文獻[2]以平翅片管作為比較對象,利用冰箱制冷系統,研究了大直徑圓孔翅片管的傳熱與制冷性能,研究結果表明:在積霜工況下,與平翅片相比,當最窄截面風速為0.5m/s時,圓孔翅片表面傳熱系數平均提高了18.84%,有效制冷量平均提高了6.02%,同時節省電能6.39%,且在風機連續運行7小時后,大部分圓孔未被霜層堵塞,仍能長久地維持其強化傳熱特征,從而得出結論:大直徑圓孔翅片有望成為翅片管式制冷換熱器的替代片型;文獻[3]以平翅片管作為比較對象,在迎面平均風速1~4m/s范圍內利用數值模擬證實:SK型翅片表面傳熱系數比平翅片提高25%以上,是一種適用于翅片管式制冷換熱器且傳熱效果優異的片型;文獻[4]利用風洞試驗裝置,在結霜工況下進行了空氣外掠單排矩形翅片管式制冷換熱器的節能性能實驗研究,研究結果表明:在迎面平均風速1.87~5.00m/s范圍內,SK型翅片管式制冷換熱器比平翅片管式制冷換熱器表面傳熱系數增大49.7~80.1%,平均增幅達64.3%,阻力平均降低32.0%,強化傳熱效果優越。可見,SK型翅片有望成為翅片管式制冷換熱器的替代片型。文獻[5]進行了SK型翅片管式制冷換熱器的樣機對比性實驗,研究結果表明:SK型翅片管式制冷換熱器是一種傳熱性能優異、能效比高的節能產品。    積霜現象的發生使得翅片管式制冷換熱器的傳熱更為復雜,涉及的影響因素更多。在發生結霜現象時,霜層的形成不僅增加了空氣的流通阻力,而且增大了傳熱熱阻,從而直接影響到翅片管式換熱器空氣側的傳熱特性和阻力特性。本文建立循環式風洞,在恒溫恒濕工況下,分析結霜工況下不同環境參數對SK型翅片管式換熱器性能的影響,對于翅片管式換熱器的強化傳熱研究具有重要意義,也為SK型翅片管式換熱器的優化設計應用及環境參數的選擇和合理確定融霜時機提供了重要依據。    1·實驗系統與測試方法    1.1實驗系統    本實驗在一吸風式風洞中進行,如圖1所示。       1.濕球溫度計;2.混合箱;3.小風機;4.蜂窩器;5.混合器與均流板;6.干球溫度計;7.實驗樣件;8.傾斜式微壓計;9.熱電偶網;10.測速段;11.畢托管;12.風閥;13.大風機;14.加熱器;15.加濕器;16.冰瓶;17.轉換開關;18.電位差計;19.壓力表;20.壓縮機;21.冷凝器;22.節流閥;23.功率表                         圖1實驗裝置   Fig.1 The experiment apparatus    圖1中顯示了各壓差、干濕球溫度及迎面空氣流速的測點位置。整個實驗系統由風系統和制冷系統以及測量裝置三部分組成。風系統由風機、加熱加濕設備、混合箱、蜂窩狀均流器、測試段及循環管道等構成。空氣在封閉管路中由風機驅動強迫循環流動,當空氣流流過測試段的SK型翅片管式換熱器樣件降溫除濕后,經過電加熱器加熱、加濕器加濕,由混合箱內的雙紐線吸風口進入,經蜂窩式均流器回到試驗段翅片管式換熱器中。試驗段截面尺寸為300mm×300mm,換熱器試件置于試驗段中。電加熱器最大功率為1500W,加熱量通過調壓器進行調節,使換熱器的進口空氣溫度穩定在某一設定值。加濕器為一電極式加濕器,通過調節調壓器可以調節加濕量,使換熱器的進口相對濕度穩定在某一設定值。制冷系統由一個變頻壓縮機、水冷式冷凝器、手動熱力膨脹閥和翅片管式換熱器等組成,通過調節手動針閥的開度可以調節蒸發溫度。試驗用制冷工質為R22。風系統和制冷系統外表面均采用兩層橡塑保溫,絕熱性能良好,熱損失可忽略不計。    1.2 SK型翅片管式換熱器    SK型翅片管式制冷換熱器實驗試件翅片形狀如圖2所示,結構為銅管套鋁片。基本尺寸如下:基管外徑D0=25mm,翅片厚度δ=0.5mm,管間距Y=76mm,翅片間距S=10mm,翅片寬度W=61mm,高度h=296mm,圓孔直徑D=14mm。圓孔開設位置如圖2所示,沿氣流流動方向,基管前后各對稱開設2個圓孔,孔間距e=26mm,孔管中心距L=21.5mm;沿氣流流動方向,兩基管中心位置各開設一個圓孔。    試件由專業廠家精加工制成,翅片與基管采用脹管工藝連接,接觸緊密,整理實驗數據時不考慮接觸熱阻。    1.3測量方法    實驗測量的參數包括試件進出口的空氣干球溫度和相對濕度、空氣進口流速、空氣流量和壓力降。試件前、后干球溫度由試驗段前后測溫熱電偶網上均布的各9對熱電偶測定,濕球溫度由圖1所示的濕球溫度測量裝置測定,試件基管外表面溫度由每根基管外表面間周向等距嵌置的3對熱電偶配合電位差計測定。試件阻力由試件前后的靜壓環配合傾斜式微壓計測定,風速由畢托管配合傾斜式微壓計測定。畢托管置于測速段,測速段截面積僅為試驗段的1/3,因此流速較高,測量準確。空氣流量由風機出口風閥控制。    整個實驗裝置經嚴格標定,溫度測量采用的銅—康銅T型熱電偶,精度范圍為±0.1℃,風道截面溫度的不均勻性范圍為±0.2℃,風、水系統的熱平衡相對誤差范圍為±5%。同時,實驗過程中還應有一個持續穩定的試驗工況。實驗調節控制過程中,換熱器進口空氣的干、濕球溫度的波動值控制在1%以內。                 2·實驗數據處理    實驗采用R22制冷劑,制冷劑充入量嚴格按照稱量法控制。實驗步驟如下:啟動風機、啟動加熱器和加濕器,直到混合室內空氣的溫濕度穩定達到設定要求時,啟動壓縮機,開始記錄各測量參數。在實驗過程中,當狀態穩定8~10min后讀取數據,同時認為當熱平衡誤差小于5%時,數據有效。每個工況持續5~6個小時。    2.1換熱器制冷量    換熱器制冷量采用焓差法進行計算。測量通過試件的前、后空氣的干、濕球溫度,大氣壓力已知,借助焓—濕圖查得濕空氣對應狀態點的焓值。制冷量按式(1)計算:                式中,Φ為換熱器單位時間內的制冷量,W;if1蒸發器進口濕空氣的焓,kJ/kg;if2蒸發器出口濕空氣的焓,kJ/kg;qm濕空氣流的質量流量,kg/s;ρ為濕空氣的平均密度,kg/m3;um為試驗段迎面平式中,Φ為換熱器單位時間內的制冷量,W;if1蒸發器進口濕空氣的焓,kJ/kg;if2蒸發器出口濕空氣的焓,kJ/kg;qm濕空氣流的質量流量,kg/s;ρ為濕空氣的平均密度,kg/m3;um為試驗段迎面平均風速,m/s;Ae為試驗段截面積,m2。    2.2翅片管外當量對流換熱系數    在本實驗中,用翅片管外當量對流換熱系數來評價SK型翅片管的強化傳熱效果。翅片管外當量對流換熱系數本身包含了翅片效率,用它更能綜合比較和說明各種翅片換熱效果的優劣。翅片管外當量對流換熱系數用傳熱學基本公式(3)計算:                 式中:h為翅片管外當量對流傳熱系數,W/(m2·K);A0為對流換熱總面積,包括翅片換熱表面積和基管對流換熱面積,m2;ΔT為基管外表面與空氣間的平均對流換熱溫差,K。                 3·實驗結果與分析    本文在空氣進口溫度28℃,進口雷諾數Re=3602~5509,進口相對濕度Φ=60%~80%的范圍內,通過依次改變空氣相對濕度Φ和迎面平均空氣流速um,進行了濕空氣外掠SK型翅片管式換熱器的換熱流動實驗。圖5~圖8為空氣流速和相對濕度對翅片表面傳熱系數h及流動阻力ΔP的影響曲線。    圖3可見,結霜工況下,翅片表面霜層處于結晶生長期時,空氣側對流換熱系數隨著流速的增大先減小再增加。隨著空氣流速由4.43m/s增大到6.77m/s,SK型翅片表面傳熱系數在相對濕度Φ=60%時,u=6.77m/s時的表面傳熱系數比u=4.78m/s時提高了9.93%;而在相對濕度Φ=80%時,u=6.77m/s時的表面傳熱系數比u=4.78m/s時提高了12.87%。出現這種情況,與換熱器表面結霜情況有關。本實驗過程中保持入口空氣溫度穩定在28℃,且入口空氣流速也選定的較高,最低迎面平均風速4.43m/s,從而促使翅片表面結霜速度大大降低[11],實驗時間內始終保持在結霜初期,這時粗糙不平的霜晶增加了換熱器的換熱面積,同時增強了氣流的擾動,使翅片表面傳熱系數隨之也逐漸增大。同時由于風速的增加提高了單位時間內流過換熱器表面水蒸氣的量,從而導致換熱器空氣側通道內結霜區域以及翅片表面間斷的霜結晶面積都逐漸擴大,翅片表面傳熱系數隨著流速的增大而增大。實驗過程中,風速為4.78m/s時,基管壁面溫度最低,換熱效果嚴重惡化,換熱器制冷量也最小,因此在此風速下,換熱器的換熱系數值最小。與對流換熱系數的增加幅度相比,阻力增加較為顯著。    圖4可見,結霜工況下,翅片表面霜層處于結晶生長期時,換熱器表面阻力降隨著流速的增加而增大。隨著空氣流速由4.43m/s增大到6.77m/s,SK型翅片表面阻力在相對濕度Φ=60%時,u=6.77m/s的表面阻力比u=4.43m/s的表面阻力增大了94.72%;而在相對濕度Φ=80%時,u=6.77m/s的表面阻力比u=4.43m/s的表面阻力增加了78.51%。這是由于風速的增加提高了單位時間內流過換熱器表面水蒸氣的量,從而導致換熱器空氣側通道內結霜區域以及翅片表面間斷的霜結晶面積都逐漸擴大,有效空氣流通截面變小,空氣阻力增加,空氣流速越大,阻力降也越大。    圖5可見,結霜工況下,翅片表面霜層處于結晶生長期時,換熱器表面傳熱系數隨相對濕度的增加而增加。隨著相對濕度由Φ=60%增大到Φ=80%,SK型翅片管表面傳熱系數在速度u=4.43m/s時,Φ=80%時的表面傳熱系數比Φ=60%時的表面傳熱系數大約提高了28.81%;在速度u=6.77m/s時,Φ=80%時的表面傳熱系數比Φ=60%時的表面傳熱系數大約提高32.25%。這是由于隨著相對濕度的增大,空氣中的水蒸氣含量也隨之增大,翅片表面發生積霜的區域以及翅片表面間斷的霜結晶面積都逐漸擴大,與此相應的翅片表面傳熱系數隨之也逐漸增大。與對流換熱系數的增長幅度相比,阻力增加則相對較為平緩。    由圖6可見,結霜工況下,翅片表面霜層處于結晶生長期時,換熱器表面阻力降隨著相對濕度的增加而增大。隨著相對濕度由60%增大到80%,SK型翅片表面阻力在u=4.43m/s時,Φ=80%時的表面阻力比Φ=60%時的表面表面阻力大約增大了22.35%;而在速度u=6.77m/s時,Φ=80%時的表面阻力比Φ=60%時的表面阻力大約增加了12.16%。這是由于隨著相對濕度的的增加,流過換熱器表面水蒸氣的量也隨之增多,從而導致換熱器空氣側通道內翅片表面發生積霜的區域以及翅片表面間斷的霜結晶面積都逐漸擴大,有效空氣流通截面變小,空氣阻力增加,空氣相對濕度越大,阻力降也越大。     4·結論    (1)實驗研究表明,結霜工況下,翅片表面霜層處于結晶生長期時,換熱器表面霜層增加了換熱面積和表面粗糙度,從而使換熱增強。同時,研究結果表明:空氣側對流換熱系數隨迎面風速的增大而增大,隨相對濕度的增加而增加。    (2)對實驗數據的整理分析可知,進口空氣流速的增加使得速度場與溫度場及濃度場之間的協同性變差,提高空氣流速所造成的空氣側阻力降的增大遠大于空氣側對流換熱系數的增大幅度,單純靠提高流速來增強換熱的做法很不經濟。    (3)影響SK型翅片管式換熱器性能的最重要的因素是空氣的相對濕度,其次才是空氣流速。    (4)在環境參數的選擇中,合理的控制風速、相對濕度,有助于提高翅片表面傳熱系數,增強翅片換熱效果,對于SK型翅片管的實際應用有重大意義。參考文獻:[1]王厚華,羅慶,蘇華,等.大直徑圓孔翅片管的換熱與流阻性能實驗研究[J].制冷學報,2002,23(2):25-29.[2]王厚華,高建衛,彭宣偉.圓孔翅片管積霜工況下的制冷性能實驗[J].重慶大學學報,2007,30(5):4.[3]王厚華,方趙嵩.空氣外掠圓孔翅片管的流動與換熱數值模擬[J].同濟大學學報,2009,3(7):969-973.[4]王厚華,方趙嵩,鄭爽英.圓孔翅片管式制冷換熱器的節能性能試驗[J].西南交通大學學報,2009,44(3):455-460.[5]張杰.SK型制冷換熱器樣機試驗研究[D].重慶:重慶大學,2009.[6]HEGGS P J,STONES P R.The effects of non-uniformheat transfer cofficients in the design of finned tubeair-cooled heat exchanges[C].Proceeding of InternationalHeat Transfer Conference.Munich:International Instituteof Refrigeration,1982:209-214.[7]于建祖.換熱器原理與設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.[8]龔建英,袁秀玲,呂寶成.變風量對中大型風冷熱泵結霜工況性能的影響[J].FLUID MACHINER,2010,38(3):58-61.
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