板翅換熱器平直翅片的傳熱與阻力性能試驗(yàn)

【摘要】對(duì)11種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的緊湊式板翅換熱器平直翅片的傳熱和流動(dòng)阻力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析比較平直翅片間距、翅片高度、翅片長(zhǎng)度對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力的影響。結(jié)果表明，翅片間距對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力影響較小，而翅片長(zhǎng)度和高度對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力有重要影響。同時(shí)對(duì)11種翅片的220個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了 因子和_廠因子的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式擬合，擬合關(guān)聯(lián)式的誤差范圍為±1O 。
　　關(guān)鍵詞：板翅換熱器 平直翅片 傳熱 流動(dòng)阻力
　　中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　引言
　　平直翅片的強(qiáng)化傳熱效果不如錯(cuò)齒翅片和百葉窗翅片[1]，但是平直翅片具有良好的傳熱性能和低阻力性能，同時(shí)考率到汽車排放法規(guī)開(kāi)始對(duì)非公路車輛提出了嚴(yán)格的要求，一些非公路車輛紛紛采用增壓中冷技術(shù)，以適應(yīng)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，這樣平直翅片在農(nóng)用機(jī)械和工程機(jī)械等非公路車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。因此對(duì)其的傳熱和阻力性能研究也就有著更為重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。目前對(duì)平直翅片研究以凱斯和倫敦[2 最有影響，但是其試驗(yàn)翅片長(zhǎng)度L大于65 mm， ／D (D 為水力直徑)大于2O。目前車輛散熱元件翅片長(zhǎng)度L大多數(shù)小于65 mm，L／D 小于2O，對(duì)此范圍內(nèi)平直翅片重新進(jìn)行試驗(yàn)研究，一方面補(bǔ)充現(xiàn)有平直翅片試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面為工程設(shè)計(jì)人員提供新的技術(shù)支持。
　　1 試驗(yàn)裝置和測(cè)量方法
　　1．1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)是在一個(gè)開(kāi)式風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，風(fēng)洞的風(fēng)量調(diào)節(jié)由變頻風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，風(fēng)量的測(cè)量由標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴組合完成。試驗(yàn)裝置的示意圖見(jiàn)圖1。
                  
    1．2 翅片幾何結(jié)構(gòu)
    翅片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1、圖2，翅片及扁管的材料都采用鋁材，試件采用氮?dú)獗Ｗo(hù)的釬焊實(shí)現(xiàn)翅片和扁管的焊接。整個(gè)試件尺寸為205 mm×250 mm。為確保試件的制作質(zhì)量，所有的平直翅片在裝夾和焊接前進(jìn)行檢驗(yàn)。
                     
     1．3 試驗(yàn)測(cè)量
    (1)水、空氣進(jìn)出口溫度的測(cè)量。采用Pt100鉑電阻在換熱器試件進(jìn)出口管道上測(cè)量水溫，標(biāo)定后其精度為0．1 C。試驗(yàn)過(guò)程中，控制水入口溫度恒定為9OC。水溫的控制是由80 kW 無(wú)級(jí)可調(diào)的電加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。冷卻空氣的進(jìn)出口溫度采用熱電偶網(wǎng)進(jìn)行測(cè)定，取算術(shù)平均值。入口布置8個(gè)熱電偶，出口布置16個(gè)熱電偶。
    (2)水、空氣的流量測(cè)量。采用渦輪流量計(jì)測(cè)量水體積流量，渦輪流量計(jì)的精度為0．25 。冷卻空氣流量采用噴嘴組合測(cè)量，噴嘴根據(jù)國(guó)家GB／T2624標(biāo)準(zhǔn)(等效ISO 5167)。噴嘴前后的壓差采用精度為0．25 9／5的微差壓變送器測(cè)量。測(cè)量噴嘴前空氣靜壓的壓力傳感器精度為0．4 。測(cè)量過(guò)程中，保持水流量恒定為2．2 1TI。／h，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。
    (3)試驗(yàn)試件前后壓差的測(cè)量。在試驗(yàn)試件前后的風(fēng)道上開(kāi)設(shè)靜壓測(cè)孔，前后各開(kāi)8個(gè)靜壓孔，靜壓孔連接成環(huán)狀。試件前后空氣壓差采用精度為0．4 的差壓變送器測(cè)量。
    (4)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中所有傳感器測(cè)量信號(hào)采集是由ICP—CON數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)完成。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)RS一232與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是在工況穩(wěn)定后進(jìn)行的，每次工況穩(wěn)定時(shí)間約15 min。熱平衡偏差在3％以內(nèi)。
    2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
    2．1 壓力降
    空氣在百葉窗翅片中流動(dòng)，其摩擦因子廠采用凱斯和倫敦給出的計(jì)算公式[2]進(jìn)行計(jì)算。該公式考慮了試件進(jìn)口效應(yīng)。由于空氣在試件前后密度變化很小，作不可壓縮處理。摩擦因子廠簡(jiǎn)化后為
                     
                     
    3 結(jié)果分析與討論
    3．1 J和廠試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
    傳熱因子j和摩擦因子廠的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是通過(guò)對(duì)表1給出的l1種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的平直翅片共220個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多元回歸和F檢驗(yàn)后獲得的，文獻(xiàn)E6-1給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)回歸處理方法和檢驗(yàn)方法，和廠試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式分別為
                      
                       
    3．2 翅片間距F 對(duì)傳熱和阻力性能的影響
    圖5為翅片長(zhǎng)度L一65 mm，翅片間距F 分別為4．0、4．5、5．0 mm的平直翅片的傳熱因子和摩擦因子隨Re的變化曲線，從圖中看出，3種不同翅片間距時(shí)J和廠隨R 的變化曲線基本重合，表明相同翅片高度和翅片長(zhǎng)度的平直翅片，翅片間距F 對(duì)其傳熱和流動(dòng)阻力的影響較小。同時(shí)翅片間距對(duì)j和f影響已經(jīng)包含在Re內(nèi)。
                       
                       
                               圖5不同F(xiàn)p時(shí)j和廠與Re的關(guān)系曲線
                               Fig．5 Influence of Fp Oil j and f
    3．3 翅片長(zhǎng)度L對(duì)傳熱和阻力性能的影響
    圖6為翅片間距F 一4．0 mm，翅片長(zhǎng)度L分別為65、53 mm平直翅片的傳熱因子和摩擦因子隨Re變化的曲線關(guān)系。從圖中看出，翅片的長(zhǎng)度對(duì)其傳熱和阻力都有重要的影響，翅片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其傳熱性能和阻力性能都越小。其主要原因是，翅片長(zhǎng)度越短，翅片入口段效應(yīng)所占比例越高?？諝庠诔崞瑓^(qū)內(nèi)流動(dòng)入口段流動(dòng)邊界層和熱邊界層均較薄，使入口段對(duì)流傳熱系數(shù)增大，摩擦阻力增大。
                         
                        
                                 圖6不同翹片長(zhǎng)度L時(shí)j和f與Re關(guān)系曲線
                                   Fig．6 Influence of L on 3 and f
    3．4 翅片高度Fh對(duì)傳熱和阻力性能的影響
    圖7為翅片間距F 一4．0 mm，翅片長(zhǎng)度L為43 mm，翅片高度Fh分別為7．0、8．0、10．0 mlTl平直翅片的傳熱因子和摩擦因子隨Re變化的鹽線關(guān)系。從圖中看出，翅片的高度對(duì)其傳熱和阻力都有重要的影響，翅片高度越大，其傳熱性能和阻力性能都越小。
                         
                         
                               圖7不同翅片高度Fh時(shí)j和f與Re關(guān)系曲線
                                  Fig． Influence of Fh on j and f
    4 結(jié)論
    (1)獲得J和廠的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，在Re一600--7000，其J和廠擬合關(guān)聯(lián)式最大誤差為士10G。
    (2)翅片間距對(duì)平直翅片的傳熱和阻力性能影響較小。
    (3)翅片流動(dòng)長(zhǎng)度對(duì)平直翅片的傳熱和阻力有重要影響，翅片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其J和廠因子越小。
    (4)翅片高度對(duì)平直翅片的傳熱有重要影響，翅片高度越大，其j和廠因子越大。