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板式換熱器壓縮機冷卻器的傳熱和流阻性能實驗研究點擊：2074 日期：[ 2014-04-26 22:00:48 ] |
| 板式換熱器作為壓縮機冷卻器的傳熱和流阻性能實驗研究 華南理工大學 曾文良 林培森 王世平 張正國 摘要：以現場的壓縮空氣為實驗工質,對壓縮空氣在人字形波紋板式換熱器傳熱 與流阻性能進行了實驗研究。研究結果表明板式換熱器與傳統的光滑管弓形隔板換熱器 相比較,板式換熱器能非常有效地強化氣側的膜傳熱系數,但是與空氣在花瓣狀翅片管 (以下簡稱PF管)和低肋管螺旋隔板換熱器殼側的傳熱相比較,在同等的傳熱量下,板式 換熱器的膜傳熱系數是PF管螺旋隔板換熱器的(30~40)%(以胚管外表面積計算,下 同)、是低肋管螺旋隔板換熱器的(40~50)%,然而其壓力損失卻是PF管螺旋隔板換熱器 的3~5倍,是低肋管螺旋隔板換熱器的1·7~3倍。此外還從傳熱與流阻、換熱效率、緊 湊性和經濟性等方面對板式換熱器的整體性能進行了評價。 關鍵詞：板式換熱器 強化傳熱 人字形波紋板 符 號 E———換熱效率 Nu———Nusselt準數 K———總傳熱系數,W/m2·K Pr———Prandtl準數 V———氣體的標準體積流量,Nm3/min a———膜傳熱系數,W/m2·K Eu———Euler準數 NTU———傳熱單元數 Pe———Peclet準數 Re———Reynolds準數 ΔP———流動壓降,MPa 下 標 a———空氣側 o———管外 w———冷卻水側 i———管內 1 引言 板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設備。盡 管其發展已有近百年歷史,且在國民經濟的少數部 門(如食品、制藥)有著比較廣泛的應用,但是由于 耐溫、耐壓、耐腐蝕能力而制約其在各個部門的全 面推廣和應用。進入80年代以來,由于制造技術、 墊片材料的不斷進步以及傳熱理論的不斷完善,板 式換熱器的應用越來越受到工業生產部門的重視。 近十年來,國內外有許多有關板式換熱器的論文發 表,但是有關空氣—水在板式換熱器的傳熱與流阻 性能的研究論文較少。本課題的研究就是針對壓 縮機中間冷卻器和后冷卻器的冷卻能力不足而開 展的強化傳熱與節能的研究,實驗是在某廠生產現 場進行,利用D—100/7空壓機Ⅱ級出口空氣為實驗工質,來研究板式換熱器的傳熱與流阻性能。 2 實驗裝置、流程、方法 實驗所用的換熱器的幾何結構參數見表1,流 程如圖1所示。實驗分兩種方案進行:保持冷卻水 流量不變,依次改變空氣的體積流量,通過傳熱系 數的分離來求得空氣側的對流傳熱系數;保持空氣 的流量不變,依次改變冷卻水的流量,從而來考察 冷卻水對總傳熱系數的影響。實驗過程中使用的儀表經過校正,完全能夠滿足實驗要求。 3 實驗數據關聯 3·1 傳熱性能數據關聯 對于空氣與水在板式換熱器的傳熱關聯我們 采用如下經驗公式關聯實驗數據: 3·2 流阻性能數據關聯 對于板式換熱器的壓降的計算可以采用Eu= ΔP/(ρu2/2),故我們可以采用以下形式對實驗數 據進行關聯,且關聯結果如表3所示,關聯數據誤 差≤±20%。 4 實驗結果及實驗結果分析 4·1 傳熱實驗結果及實驗結果分析 空氣—水在板式換熱器兩側的傳熱性能實驗 結果如圖2~4所示。圖3是空氣側的膜傳熱系數 與氣體的體積流量的關系曲線,并與空氣在PF管 和低肋管螺旋隔板換熱器殼程的膜傳熱系數進行 對比;圖3是總傳熱系數與氣體體積流量的關系, 且與PF管和低肋管螺旋隔板換熱器的總傳熱系數 進行對比。從圖2、圖3可以看出,單程和兩程的 換熱器空氣側的膜傳熱系數和總傳熱系數基本一 致,這充分說明本實驗的重復性較好。板式換熱器 由于板片波紋的存在,極大地激發了流體流動過程 中的湍動強度,大大地降低了流體達到湍流的臨界 Re值,很大程度地提高了對流傳熱系數,與光滑管 形隔板換熱器相比較,有了一個很大的飛躍(一般 情況下空氣在光滑管弓形隔板換熱器殼側的膜傳 熱系數在50~250W/m2·K),但是與空氣在PF管和低肋管螺旋隔板換熱器的殼側的傳熱性能相比較, 膜傳熱系數是PF管的(30~40)%、是低肋管的(4 ~50)%。這主要是因為,一方面粗糙壁面傳熱管 有效地擴充了傳熱外表面積;另一方面流體在螺旋 流道內流動時,管束的外表面粗糙元非常有效地激 發流體的湍動強度,減少換熱器殼側的傳熱熱阻。 圖4是板式換熱器水側的對流傳熱系數Re值 的關系曲線,其結果基本上與文獻值相接近[1、2]。 4·2 流阻實驗結果及實驗結果分析 圖5是空氣的流動壓降與氣體體積流量V的 關系曲線,且與螺旋隔板換熱器的流動壓降進行比 較。從圖5可以看出,在同等的傳熱量下,板式換 熱器的流動壓降是PF管螺旋隔板換熱器的3~5 倍,是低肋管螺旋隔板換熱器的1·7~3倍。板式 換熱器壓降大的主要原因,是由于板片波紋一方面 強化流體流動的湍動強度,激發漩渦的產生,提高 了流體的傳熱性能,然而另一方面,漩渦的產生很 大程度地增加了流體流動過程中的形體阻力,而不 是將流動過程中的壓力損失有效地轉化為傳熱系 數的提高。但是對于螺旋隔板換熱器,特別是PF 管螺旋隔板換熱器,由于流體流過管外三維翅片 時,流體與翅片以剪切運動為主,而不斷間隔的翅 片又使得流體的傳熱和流動邊界層不斷發生分離, 從而達到提高對流傳熱系數、降低流動壓降的雙重 目的,也就是有效地將壓降轉化為傳熱系數的提 高。 圖6是水側流動壓降與Re值的關系曲線,其結果與文獻[1,2]所提供的參考值基本上接近,這也進一步說明本實驗的可靠性和準確性。 5 板式換熱器的強化傳熱性能評價 任何一換熱器的整體性能應從多方面來進行 評價。文獻[3]所提供的方法主要是從換熱器的傳 熱與流阻兩個方面來進行評價。這里我們首先對 板式換熱器的傳熱和流阻性能進行評價,圖7是板 式換熱器的壓降ΔP與空氣側膜傳熱系數α的關 系曲線,且與PF管和低肋管螺旋隔板換熱器進行 對比。從圖7可以發現,板式換熱器的傳熱與流阻 性能遠遠低于PF管和低肋管螺旋隔板換熱器,其 主要原因在前一部分和文獻[4]中均已論述。 從換熱效率上來考察板式換熱器的性能,我們 不難發現板式換熱器換熱效率高。圖8就是換熱 效率E與傳熱單元數NTU的關系曲線,其中有關 1—2型管殼式換熱器的數據摘自文獻[5]。從圖 可以看出,板式換熱的換熱效率遠遠高出1—2型 管殼式換熱器,這主要是因為對于板式換熱器,兩 側流體是完全呈逆流流動,而且流體在板片間流動 過程中的返混極小,從而能夠最大限度地減小傳熱 過程的溫差及有效能損失,可以有效地提高有效能 的利用效率。 最后我們從緊湊性和經濟性來分析板式換熱器,板式換熱器是當前公認的緊湊換熱設備,單位體積的換熱能力遠無大于光滑管弓形隔板換熱器且大于PF管和低肋管等粗糙壁面傳熱管螺旋隔板換熱器;在經濟性方面,由于制造技術的不斷進步其價格在逐步下降,也就是說其性能價格比在不斷上升。 6 結論 板式換熱器用于壓縮空氣的冷卻時,其強化傳熱性能比普通的弓形隔板換熱器有了一個很大的飛躍,但是與PF管螺旋隔板換熱器相比較時,其傳熱和流阻性能相差甚遠;當前由于螺旋隔板換熱器 的制造困難,而板式換熱器的價格在不斷下降,墊片材料在不斷發展,如果我們能夠選擇合適的墊片材料,將板式換熱器應用于壓縮機冷卻器是可行的;板式換熱器由于具有換熱效率高的優點,因此最適合用于低溫差過程的換熱,也就是工藝過程的熱回收和冷回收,以最大限度地減少換熱過程的有效能損失。 參考文獻 1 板式換熱器工程設計手冊.北京:機械工業出版 社,1995 2 MuleyA,Manglik RM.Enhanced heat transfer charac- teristics of single-phase flows in a plate heat exchang- er with mixed chevron plates.enhanced heat transfer, 1997;V4:187~201 3 Karal D et al.Helical baffles shell-and-tube heat exchangers, Part I: experimental verification. Heat transfer engineering,1996;17(1):93~100 4 曾文良等.空氣在不同管束的螺旋隔板換熱器的 傳熱與流阻性能實驗研究.流體機械,1999;27 (11) 5 林宗虎.強化傳熱及其工程應用.北京:機械工業 出版社,1996 |
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