滴状翅片管传热及阻力特性的试验研究

滴状翅片管传热及阻力特性的试验研究周文铸，欧阳新萍，刘道平(上海理工大学动力工程学院，上海200093)摘要：对滴状翅片管的传热及阻力性能进行了试验，给出了不同风速、温度下的试验结果。探讨了对流换热系数的分离方法。依据实测的数据，将管外空气横掠管簇的对流换热系数从传热系数中分离了出来。对管外的对流换热特性、阻力特性进行了分析研究，并整理成了无量纲准则式。试验表明滴状翅片管的阻力较小，试件性能达到国际先进水平。关键词：滴状翅片管；传热特性；阻力特性；试验研究1引言空气冷却器具有降低工业用水、减少污染、有利于保护环境等优点，因而越来越广泛地在石油、化工、电力、冶金和原子能等部门得到应用。由于空气冷却器气侧的换热系数远小于管内一侧的换热系数，因而空气冷却器总是采用带肋的翅片管。一般而言，任何一种换热器的换热性能的优劣，只有经过对该换热器的传热和阻力特性的测试才能准确得知。对于翅片管，由于其复杂的几何特性而导致翅片侧气体的流动及传热特性无法从理论上完全解决，目前多采用实验模化的方法来获得管外空气侧的换热和阻力的关系式。为研究不同对象的流动或传热特性，通常研制了相应的风洞系统用于常温下空气动力学模化实验或气体传热特性的模化实验研究。为此，本文介绍了在吸风式风洞试验装置上进行滴状翅片管传热与阻力特性的试验方法、试验结果及结论。2试件及试验设备2.1试件滴状翅片管的基本参数见表1，其结构尺寸如图1所示。表l滴状翅片管的基本参数数值数值管长/mm38.0每米肋数370管宽/mml2排列方式叉排管外径×管壁厚/nun28x1.5管间距，mmSl=59s2=59.5肋厚/mm0.3肋化系数10.3肋距/mm2.7每米管换热面积/m20.9057图1滴状翅片管的结构简图2.2试验设备试验在吸风式风洞试验装置上进行，风洞装置如图2所示。该装置由两个系统组成：空气系统和水系统。空气系统：空气从双扭曲线吸风口吸入，经过渡段、收缩段进入矩形截面的实验段。实验段的进出口均装有热电偶堆，测量出空气进出的温差。实验段的尺寸为300mm×300mm，然后空气再流经方圆收缩段，进入装有毕托管的空气流量测量工作段测量流量，其测量工作段为φ100mm的圆管，最后空气由风机送出。水系统：水经电加热器加热后，由高位水箱流入被测管束，在管束的进出口处装有水银玻璃棒温度计测量水的进出口温度，然后经转子流量计测量流量后返回水箱。3试验原理由于滴状翅片管的壁温难以测准，本试验不采用测量壁温的方法求取气侧的换热系数，而是采用分离法来整理试验数据，即直接从传热系数K的测量值中将气体横掠滴状翅片管束的换热系数ao分离出来。图2风洞装置示意图根据传热理论可知：C/Wmrra1a1k1o2ifi0(1)式中：K-传热系数，W／(m2℃)；ao-管外气侧的换热系数，W／(m2℃)；rf-管壁导热热阻，m℃/W;ai一管内水侧的换热系数，W/(m2℃)；β-肋化系数，p=Fo/Fi，Fo-气侧换热面积，m2；Fi-水侧换热面积，m2；ri-管内垢阻，m℃/W。如果在试验过程中，维持气侧的定性温度不变，那么ao=CVN(W/(m2℃))，式中V是气体进入试验段前的流速，C，N是常数。如果再维持水侧的流速和定性温度不变，则式(1)中p(l/ai+rf+ri)也将不变。设R=p(l/ai+rf+ri)，则式(1)写成：RCN1K1N(2)式中：C、N、R均为常数。当测得一系列1/K，V的数值后，就可以运用最小二乘法原理，求出C、N、R的最佳概值，从而得到气侧换热系数a。=l（1/K-R）或ao=CVN。4试验及数据处理试验原理部分已指出，试验应保持水侧的流速不变，水流量用预先标定过的转子流量计测量。在整个试验过程中，流量保持360I/h不变，管束进口的热水温度控制在60±1℃，进出口水的温度用水银玻璃棒温度计测量，进口管束的空气温度由热电偶堆1测定，其电动势与温度的关系为：23110273.2752.1uut空气经过管束的温升用温差热电偶堆2测定，其计算式为：242'10039.3'6316.0uut式中：121','''uuuu为读数，u'2为：2l12356t0.0011.1581t'u测量段处的空气流速根据与毕托管相连的倾斜式微压计的读数来计算：/PP-P2V'*式中：p*一空气侧总压，Pa;p-空气侧静压，Pa，p=p'-Δp，Δp可通过与毕托管相连的倾斜式微压计读得；ζ一为考虑空气可压缩性的修正系数。根据此流速，可换算到管前的空气流速：V'PAA''Vp式中：p'A'一测量段的空气密度和通风面积；P、A-试验段进口上的空气密度和面积。空气通过管束的压降由管束前后风洞上的静压孔相连的倾斜式微压计测定。根据试验要求，空气流速的变化范围为0.93~5.56m/s。试验数据见表2.图3滴状翅片管传热特性试验曲线表2水速vw=0.51m/s时的试验数据工况点123456789水进口温度ti'/℃59.860.4360.459.559.2559.660.2559.760.12水出口温度ti/℃56.8557.0556.655.655.0055.355.654.8255.38空气进口温度t0'/℃27.4527.4027.227.0527.326.826.827.327.03空气出口温度t0/℃34.8134.4333.6531.9532.7232.2832.3232.1631.87空气吸热量Qo/w152917561987204020462252255623742512水放热量Qi/W158418092027203721662285247424772625热平衡η/%3.482.931.950.145.60.343.364.144.3对数平均温差△tm/℃25.3425.9326.1625.6725.2625.9926.4125.6326.35空气雷诺数Re0333940224978560461196794802679258432传热系数K/W．m-2℃一145.250.656.558.4561.464.5870.169.771.73空气流动阻力(8排)△p/Pa64.7154.8125.4141.1160.7196.0231.3247.0262.6根据表中的数据，得到传热系数与空气管前流速以及阻力与空气管前流速的关系曲线（见图3和图4）。空气流速即为管前（迎风面）速度。平均温差按文献[3]中公式计算。根据表2中的数据，计算可得到式(2)中的系数C、N、R：C=2.73x10-2N=0.657R=4.24x10-3这样，可以算出气侧的换热系数ao，整理出气侧换热准则式(3)，其关系曲线见图5。3/1654.0PR328.0Nreu(3)图4滴状翅片管阻力特性试验曲线如果气侧为空气，尤其是常温下的空气，则可用式(4)计算，关系曲线见图6。图5滴状翅片管气侧换热特性曲线图图6滴状翅片管气侧换热特性曲线654.0R290.0Neu(4)其中：Vd/vRe/N，adu(5)式中：a-换热系数，W/(m2℃)；d-基管外径，m;v一运动粘度，m2／s；λ一导热系数，W/(m.℃)；V—风速，m/s。阻力准则关系式为：Eu=93mRe-0.476其关系曲线见图7。图7滴状翅片管气侧阻力特性曲线式中：Eu,=△p/pv2；p-气体密度，kg/m3；△p-阻力，Pa;m-管束排数。得到换热准则关系式后，就可以计算实际工况下的传热量和阻力，实际工况下的管排数与试验工况时的管排数相同，也为8排。计算结果见图8(工况1、2、3的传热曲线）、图9（工况1、2、3的阻力曲线，单排）。工况数据如表3所示。图8滴状翅片管传热特性试验曲线表3工况l、2、3的计算数据温度／℃风速，m's-1水速，m．s-1传热面积/m2冷却容量/kW阻力/Pa进气出气进水出水工况l553832356.0851.97172150245工况24428.52528.541.58250120-工况355353234.741.58250150-图9滴状翅片管阻力特性试验曲线5冷却容量的校核5.1工况l的校核表4图8的实际计算工况参数工况l工况2工况3空气进口温度／℃554455空气出口温度/℃3828.835水进口温度／℃322532水出口温度／℃3528.534.7水流速/m．S-11.971.581.58表5图9的实际计算工况参数工况l工况2工况3空气进口温度／℃554455空气出口温度／℃3828.835注：1、工况l、2、3曲线重合；2、单排管情况，如实际为Z排，则阻力为：(△p×z)。分析图8，风速为6.085m/s，传热系数K：94.5W/(m2.℃)，对数平均温差：ΔTm=11.6℃，其换热量Q=K4△T=94.5×172×11.6:188.5×103W:151.6kW，达到设计要求(150kW)。如风速为4m/s，查图8，传热系数K=76W/m2℃，则：Q=KAΔTm=76×172×11.6=151.6×103w=151.6kW也满足设计要求(150kW)。查图9，风速为4m/s,Δp=25.5Pa,按8排计算，ΔP=25.5×8=204Pa，小于设计给定数据(245Pa)，符合要求。5.2工况2的校核查图8，风速为4m/s，传热系数K=66.4W/(m2.℃)，对数平均温差ΔTm=8.3℃，其换热量：Q=KAΔTm=66.4×250×8.3=137.8×l03W=137.8kW，达到换热要求(120kW)。5.3工况3的校核查图8，K=74W/(m2.℃)，ΔTm=9.0℃，其换热量为：Q=KAΔT=74×250×9.0=166.5×l03W=166.5kW，满足换热要求(150kW)。6试验结果比较在文献[3]中，给出了与本次试件尺寸相似的滴状翅片管换热准则式：Nu=0.14Re0.7(6)式中，特征尺寸取管宽，本次试验特征尺寸取管厚径de=28，经转换，式(6)可化为：Nu=0.18Re0.7(7)将式(7)图线画在图6中，与式(4)进行比较，可见两图线在常用范围内基本一致。本试件的性能还比早期国外的同类产品稍优。文献[3]也给出了阻力准则关系式：Eu=94mRe-o.45(8)经特征尺寸的转换，可化为：Eu=95mRe-o.45（取m=8）(9)将式(9)图线画在图7中，与式(5)比较，两者非常接近，本试件的流动阻力还稍低一些，略优于早期国外的同类产品水平。7结论(1)方翅片滴状管具有较小的气流阻力，是一种很好的空气冷却器元件。(2)根据试验结果表明，该滴状翅片管与国外同类型翅片管的放热和阻力特性基本一致，所以在制造加工方面是可以满足要求的。参考文献：[1]上海机械学院热工与流体教研室，气体横掠翅片管簇的放热规律[J].化工与通用机械，1976(5):25-35.[2]程尚模，王崇琦，罗挺，空气冷却器肋管管束传热性能与流动阻力的试验研究[M].北京：清华大学出版社，1983．[3]IUBAPLIBA.XapakTEPHCTHKHtpyб48TbLxOpe6peHHbLxn∞epXHocTeHtennocMeHaeporvraulHocIpoehHE[J].1963.[4]杨世铭，陶文铨，传热学[M].（第3版）．北京：高等教育出版社，1998．