不同环境参数对SK型翅片管式换热器结霜换热性能的影响

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不同环境参数对SK型翅片管式换热器结霜换热性能的影响

点击:942 日期:[ 2014-04-26 22:51:18 ]
                不同环境参数对SK型翅片管式换热器结霜换热性能的影响                                                          王学磊 王厚华              (重庆大学城市建设与环境工程学院重庆400045)    【摘要】以SK型翅片管式换热器为研究对象,在循环式风洞中对其结霜工况下的性能进行试验研究,研究了入口空气流速和相对湿度等环境参数对SK型翅片管式换热器性能的影响。研究结果表明:结霜工况下,翅片表面未覆盖满霜层时,在雷诺数Re=3602~5509,进口相对湿度Φ=60%~80%范围内,空气侧对流换热系数随迎面风速的增大而增大,随相对湿度的增加而增加;换热器表面阻力降随着流速的增加而增大,随着相对湿度的增大而增大。实验结果表明,空气相对湿度对SK型翅片管式换热器性能的影响远大于空气流速的影响。    【关键词】SK型翅片;制冷换热器;结霜;性能    中图分类号TK172文献标识码A    文章编号:1671-6612(2012)01-001-06    0·引言    目前,干、湿工况下翅片管式换热器的主流片型是条缝型翅片、百叶窗型翅片和波纹型翅片,与平翅片相比,其优越的换热性能已为大量的理论研究和实验研究所证实。但在结霜工况下,翅片表面覆满霜层时,上述高效翅片的孔缝易被霜层堵塞而丧失其优于平翅片的强化传热特征,因此不适用于翅片管式制冷换热器。因而,目前结霜工况下工作的翅片管式制冷换热器仍以平翅片为主要片型,高效翅片的使用未见报道。为了研究开发能用于结霜工况下的高效翅片,本课题组历经多年研究,开发出三对称大直径圆孔翅片,简称SK型翅片。    文献[1]利用实验研究了空气外掠单排大直径圆孔翅片管的传热与流阻性能,经正交试验证实:最优大直径圆孔翅片与平翅片相比,速度为1~8m/s范围内,翅片表面传热系数平均比平翅片增大29.5%,阻力最大增幅则不超过8.0%;文献[2]以平翅片管作为比较对象,利用冰箱制冷系统,研究了大直径圆孔翅片管的传热与制冷性能,研究结果表明:在积霜工况下,与平翅片相比,当最窄截面风速为0.5m/s时,圆孔翅片表面传热系数平均提高了18.84%,有效制冷量平均提高了6.02%,同时节省电能6.39%,且在风机连续运行7小时后,大部分圆孔未被霜层堵塞,仍能长久地维持其强化传热特征,从而得出结论:大直径圆孔翅片有望成为翅片管式制冷换热器的替代片型;文献[3]以平翅片管作为比较对象,在迎面平均风速1~4m/s范围内利用数值模拟证实:SK型翅片表面传热系数比平翅片提高25%以上,是一种适用于翅片管式制冷换热器且传热效果优异的片型;文献[4]利用风洞试验装置,在结霜工况下进行了空气外掠单排矩形翅片管式制冷换热器的节能性能实验研究,研究结果表明:在迎面平均风速1.87~5.00m/s范围内,SK型翅片管式制冷换热器比平翅片管式制冷换热器表面传热系数增大49.7~80.1%,平均增幅达64.3%,阻力平均降低32.0%,强化传热效果优越。可见,SK型翅片有望成为翅片管式制冷换热器的替代片型。文献[5]进行了SK型翅片管式制冷换热器的样机对比性实验,研究结果表明:SK型翅片管式制冷换热器是一种传热性能优异、能效比高的节能产品。    积霜现象的发生使得翅片管式制冷换热器的传热更为复杂,涉及的影响因素更多。在发生结霜现象时,霜层的形成不仅增加了空气的流通阻力,而且增大了传热热阻,从而直接影响到翅片管式换热器空气侧的传热特性和阻力特性。本文建立循环式风洞,在恒温恒湿工况下,分析结霜工况下不同环境参数对SK型翅片管式换热器性能的影响,对于翅片管式换热器的强化传热研究具有重要意义,也为SK型翅片管式换热器的优化设计应用及环境参数的选择和合理确定融霜时机提供了重要依据。    1·实验系统与测试方法    1.1实验系统    本实验在一吸风式风洞中进行,如图1所示。       1.湿球温度计;2.混合箱;3.小风机;4.蜂窝器;5.混合器与均流板;6.干球温度计;7.实验样件;8.倾斜式微压计;9.热电偶网;10.测速段;11.毕托管;12.风阀;13.大风机;14.加热器;15.加湿器;16.冰瓶;17.转换开关;18.电位差计;19.压力表;20.压缩机;21.冷凝器;22.节流阀;23.功率表                         图1实验装置   Fig.1 The experiment apparatus    图1中显示了各压差、干湿球温度及迎面空气流速的测点位置。整个实验系统由风系统和制冷系统以及测量装置三部分组成。风系统由风机、加热加湿设备、混合箱、蜂窝状均流器、测试段及循环管道等构成。空气在封闭管路中由风机驱动强迫循环流动,当空气流流过测试段的SK型翅片管式换热器样件降温除湿后,经过电加热器加热、加湿器加湿,由混合箱内的双纽线吸风口进入,经蜂窝式均流器回到试验段翅片管式换热器中。试验段截面尺寸为300mm×300mm,换热器试件置于试验段中。电加热器最大功率为1500W,加热量通过调压器进行调节,使换热器的进口空气温度稳定在某一设定值。加湿器为一电极式加湿器,通过调节调压器可以调节加湿量,使换热器的进口相对湿度稳定在某一设定值。制冷系统由一个变频压缩机、水冷式冷凝器、手动热力膨胀阀和翅片管式换热器等组成,通过调节手动针阀的开度可以调节蒸发温度。试验用制冷工质为R22。风系统和制冷系统外表面均采用两层橡塑保温,绝热性能良好,热损失可忽略不计。    1.2 SK型翅片管式换热器    SK型翅片管式制冷换热器实验试件翅片形状如图2所示,结构为铜管套铝片。基本尺寸如下:基管外径D0=25mm,翅片厚度δ=0.5mm,管间距Y=76mm,翅片间距S=10mm,翅片宽度W=61mm,高度h=296mm,圆孔直径D=14mm。圆孔开设位置如图2所示,沿气流流动方向,基管前后各对称开设2个圆孔,孔间距e=26mm,孔管中心距L=21.5mm;沿气流流动方向,两基管中心位置各开设一个圆孔。    试件由专业厂家精加工制成,翅片与基管采用胀管工艺连接,接触紧密,整理实验数据时不考虑接触热阻。    1.3测量方法    实验测量的参数包括试件进出口的空气干球温度和相对湿度、空气进口流速、空气流量和压力降。试件前、后干球温度由试验段前后测温热电偶网上均布的各9对热电偶测定,湿球温度由图1所示的湿球温度测量装置测定,试件基管外表面温度由每根基管外表面间周向等距嵌置的3对热电偶配合电位差计测定。试件阻力由试件前后的静压环配合倾斜式微压计测定,风速由毕托管配合倾斜式微压计测定。毕托管置于测速段,测速段截面积仅为试验段的1/3,因此流速较高,测量准确。空气流量由风机出口风阀控制。    整个实验装置经严格标定,温度测量采用的铜—康铜T型热电偶,精度范围为±0.1℃,风道截面温度的不均匀性范围为±0.2℃,风、水系统的热平衡相对误差范围为±5%。同时,实验过程中还应有一个持续稳定的试验工况。实验调节控制过程中,换热器进口空气的干、湿球温度的波动值控制在1%以内。                 2·实验数据处理    实验采用R22制冷剂,制冷剂充入量严格按照称量法控制。实验步骤如下:启动风机、启动加热器和加湿器,直到混合室内空气的温湿度稳定达到设定要求时,启动压缩机,开始记录各测量参数。在实验过程中,当状态稳定8~10min后读取数据,同时认为当热平衡误差小于5%时,数据有效。每个工况持续5~6个小时。    2.1换热器制冷量    换热器制冷量采用焓差法进行计算。测量通过试件的前、后空气的干、湿球温度,大气压力已知,借助焓—湿图查得湿空气对应状态点的焓值。制冷量按式(1)计算:                式中,Φ为换热器单位时间内的制冷量,W;if1蒸发器进口湿空气的焓,kJ/kg;if2蒸发器出口湿空气的焓,kJ/kg;qm湿空气流的质量流量,kg/s;ρ为湿空气的平均密度,kg/m3;um为试验段迎面平式中,Φ为换热器单位时间内的制冷量,W;if1蒸发器进口湿空气的焓,kJ/kg;if2蒸发器出口湿空气的焓,kJ/kg;qm湿空气流的质量流量,kg/s;ρ为湿空气的平均密度,kg/m3;um为试验段迎面平均风速,m/s;Ae为试验段截面积,m2。    2.2翅片管外当量对流换热系数    在本实验中,用翅片管外当量对流换热系数来评价SK型翅片管的强化传热效果。翅片管外当量对流换热系数本身包含了翅片效率,用它更能综合比较和说明各种翅片换热效果的优劣。翅片管外当量对流换热系数用传热学基本公式(3)计算:                 式中:h为翅片管外当量对流传热系数,W/(m2·K);A0为对流换热总面积,包括翅片换热表面积和基管对流换热面积,m2;ΔT为基管外表面与空气间的平均对流换热温差,K。                 3·实验结果与分析    本文在空气进口温度28℃,进口雷诺数Re=3602~5509,进口相对湿度Φ=60%~80%的范围内,通过依次改变空气相对湿度Φ和迎面平均空气流速um,进行了湿空气外掠SK型翅片管式换热器的换热流动实验。图5~图8为空气流速和相对湿度对翅片表面传热系数h及流动阻力ΔP的影响曲线。    图3可见,结霜工况下,翅片表面霜层处于结晶生长期时,空气侧对流换热系数随着流速的增大先减小再增加。随着空气流速由4.43m/s增大到6.77m/s,SK型翅片表面传热系数在相对湿度Φ=60%时,u=6.77m/s时的表面传热系数比u=4.78m/s时提高了9.93%;而在相对湿度Φ=80%时,u=6.77m/s时的表面传热系数比u=4.78m/s时提高了12.87%。出现这种情况,与换热器表面结霜情况有关。本实验过程中保持入口空气温度稳定在28℃,且入口空气流速也选定的较高,最低迎面平均风速4.43m/s,从而促使翅片表面结霜速度大大降低[11],实验时间内始终保持在结霜初期,这时粗糙不平的霜晶增加了换热器的换热面积,同时增强了气流的扰动,使翅片表面传热系数随之也逐渐增大。同时由于风速的增加提高了单位时间内流过换热器表面水蒸气的量,从而导致换热器空气侧通道内结霜区域以及翅片表面间断的霜结晶面积都逐渐扩大,翅片表面传热系数随着流速的增大而增大。实验过程中,风速为4.78m/s时,基管壁面温度最低,换热效果严重恶化,换热器制冷量也最小,因此在此风速下,换热器的换热系数值最小。与对流换热系数的增加幅度相比,阻力增加较为显著。    图4可见,结霜工况下,翅片表面霜层处于结晶生长期时,换热器表面阻力降随着流速的增加而增大。随着空气流速由4.43m/s增大到6.77m/s,SK型翅片表面阻力在相对湿度Φ=60%时,u=6.77m/s的表面阻力比u=4.43m/s的表面阻力增大了94.72%;而在相对湿度Φ=80%时,u=6.77m/s的表面阻力比u=4.43m/s的表面阻力增加了78.51%。这是由于风速的增加提高了单位时间内流过换热器表面水蒸气的量,从而导致换热器空气侧通道内结霜区域以及翅片表面间断的霜结晶面积都逐渐扩大,有效空气流通截面变小,空气阻力增加,空气流速越大,阻力降也越大。    图5可见,结霜工况下,翅片表面霜层处于结晶生长期时,换热器表面传热系数随相对湿度的增加而增加。随着相对湿度由Φ=60%增大到Φ=80%,SK型翅片管表面传热系数在速度u=4.43m/s时,Φ=80%时的表面传热系数比Φ=60%时的表面传热系数大约提高了28.81%;在速度u=6.77m/s时,Φ=80%时的表面传热系数比Φ=60%时的表面传热系数大约提高32.25%。这是由于随着相对湿度的增大,空气中的水蒸气含量也随之增大,翅片表面发生积霜的区域以及翅片表面间断的霜结晶面积都逐渐扩大,与此相应的翅片表面传热系数随之也逐渐增大。与对流换热系数的增长幅度相比,阻力增加则相对较为平缓。    由图6可见,结霜工况下,翅片表面霜层处于结晶生长期时,换热器表面阻力降随着相对湿度的增加而增大。随着相对湿度由60%增大到80%,SK型翅片表面阻力在u=4.43m/s时,Φ=80%时的表面阻力比Φ=60%时的表面表面阻力大约增大了22.35%;而在速度u=6.77m/s时,Φ=80%时的表面阻力比Φ=60%时的表面阻力大约增加了12.16%。这是由于随着相对湿度的的增加,流过换热器表面水蒸气的量也随之增多,从而导致换热器空气侧通道内翅片表面发生积霜的区域以及翅片表面间断的霜结晶面积都逐渐扩大,有效空气流通截面变小,空气阻力增加,空气相对湿度越大,阻力降也越大。     4·结论    (1)实验研究表明,结霜工况下,翅片表面霜层处于结晶生长期时,换热器表面霜层增加了换热面积和表面粗糙度,从而使换热增强。同时,研究结果表明:空气侧对流换热系数随迎面风速的增大而增大,随相对湿度的增加而增加。    (2)对实验数据的整理分析可知,进口空气流速的增加使得速度场与温度场及浓度场之间的协同性变差,提高空气流速所造成的空气侧阻力降的增大远大于空气侧对流换热系数的增大幅度,单纯靠提高流速来增强换热的做法很不经济。    (3)影响SK型翅片管式换热器性能的最重要的因素是空气的相对湿度,其次才是空气流速。    (4)在环境参数的选择中,合理的控制风速、相对湿度,有助于提高翅片表面传热系数,增强翅片换热效果,对于SK型翅片管的实际应用有重大意义。参考文献:[1]王厚华,罗庆,苏华,等.大直径圆孔翅片管的换热与流阻性能实验研究[J].制冷学报,2002,23(2):25-29.[2]王厚华,高建卫,彭宣伟.圆孔翅片管积霜工况下的制冷性能实验[J].重庆大学学报,2007,30(5):4.[3]王厚华,方赵嵩.空气外掠圆孔翅片管的流动与换热数值模拟[J].同济大学学报,2009,3(7):969-973.[4]王厚华,方赵嵩,郑爽英.圆孔翅片管式制冷换热器的节能性能试验[J].西南交通大学学报,2009,44(3):455-460.[5]张杰.SK型制冷换热器样机试验研究[D].重庆:重庆大学,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.换热器原理与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[8]龚建英,袁秀玲,吕宝成.变风量对中大型风冷热泵结霜工况性能的影响[J].FLUID MACHINER,2010,38(3):58-61.
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