帶親水層波紋翅片空氣側(cè)空氣側(cè)特性試驗研究

帶親水層波紋翅片空氣側(cè)空氣側(cè)特性試驗研究

在預(yù)制空調(diào)行業(yè)中常用的飛片管換熱器中，波形飛片是最常用的飛片類型之一。當(dāng)翅片表面溫度低于空氣的露點溫度時,換熱器空氣側(cè)會發(fā)生析濕現(xiàn)象。析出的冷凝水會粘附在翅片表面,從而惡化換熱,增大空氣側(cè)壓降。為了減小這種不利影響,通常在翅片表面涂上一層親水層。親水層可有效地改善冷凝水的排放,降低空氣側(cè)壓降。已有研究者對析濕工況下帶親水層百葉窗翅片和條縫型翅片的空氣側(cè)特性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明析濕工況下親水層的存在對翅片管換熱器的空氣側(cè)特性影響顯著。因此,濕工況下結(jié)構(gòu)和空氣狀態(tài)參數(shù)對不帶親水層波紋翅片空氣側(cè)特性影響的結(jié)論不能適用于帶親水層的波紋翅片,而目前還沒有發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)對帶親水層波紋翅片空氣側(cè)特性影響分析的研究報道。目前帶親水層波紋翅片的大量使用使其空氣側(cè)特性參數(shù)影響研究變得更加迫切。為了精確地設(shè)計帶親水層的波紋翅片管換熱器或者評價它的性能,獲取這種換熱器在析濕工況下的實驗數(shù)據(jù)以及分析結(jié)構(gòu)和空氣狀態(tài)參數(shù)對空氣側(cè)換熱和壓降特性的影響是非常重要的。工程中為便于直接算出換熱系數(shù),通常把它和幾個相關(guān)的特征數(shù)集合在一起,用一個符號表示,稱為換熱因子。而換熱器空氣側(cè)的壓降特性通常用無量綱的Fanning摩擦因子表示。將通過實驗方法測試帶親水層波紋翅片管換熱器在析濕工況下的空氣側(cè)特性,分析翅片間距、管排數(shù)和入口相對濕度等對空氣側(cè)換熱和摩擦因子的影響。1試驗設(shè)計和試驗方法試驗裝置如圖1所示,由封閉式空氣回路和冷卻水回路組成。其中空氣回路由風(fēng)機(jī)、噴嘴室、加熱器、加濕器、混合室和換熱器等組成;冷卻水回路由換熱器、恒溫槽、水泵和電磁流量計等組成。換熱器入口空氣的干球溫度和相對濕度的控制精度分別為±0.2℃和±2%。入口水溫的控制精度為±0.5℃。噴嘴室用來測量空氣流量,依據(jù)ASHRAE41.2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。兩個壓差傳感器分別用來測量空氣通過噴嘴和換熱器的壓降。采用溫濕度傳感器測量換熱器出入口空氣的干球溫度和相對濕度。電磁流量計用來測量水回路的流量。兩個K型熱點偶用來測量出入口水溫,六個K型熱點偶被布置在換熱器管外表面用來測量壁溫,它們都經(jīng)過標(biāo)定,精度為±0.1℃。試驗對象為7個帶親水層人字波紋形翅片管換熱器,其結(jié)構(gòu)采用紫銅管外嵌整體式鋁合金翅片,如圖2所示。詳細(xì)的幾何尺寸如表1所示。表面覆蓋親水層換熱器的翅片表面經(jīng)過雙層涂覆處理,先在翅片表面涂上耐蝕層,然后再涂上親水層,兩層的材料均為有機(jī)樹脂。利用測角儀測得反映親水層親水性能的接觸角為15°。試驗測試工況如下:入口空氣干球溫度(℃):27入口空氣相對濕度:50%、60%、70%、80%入口空氣流速(m/s):0.5、1.0、2.0、3.0、4.0入口水溫(℃):6、122無壓降壓和換熱性能的無限參數(shù)指示2.1空氣側(cè)壓降因子在翅片管換熱器的仿真中,空氣側(cè)壓降通常采用Kays和London提出的方程(1)來求解。ΔΡ=G2c2ρi[fAminA0ρmρi+(1+σ2)(ρiρo-1)](1)其中Gc=maAmin(2)σ=AminA(3)式(1)中的摩擦因子f反映空氣側(cè)壓降特性,是空氣側(cè)壓降求解的關(guān)鍵。因此針對摩擦因子f進(jìn)行研究,其計算公式如下:f=AminA0ρmρi[2ΔΡρiG2c-(1+σ2)(ρiρo-1)](4)2.2空氣側(cè)性能分析方法在翅片管換熱器的仿真中,析濕工況下?lián)Q熱量的求解如式(5)所示:Q=UAo(Ta-Ti)+maifg(Wa,in-Wa,out)(5)其中總換熱系數(shù)U的計算如下:1U=1hiAoAi+Ao2πλllnDoDi+1hsηo(6)式(6)中空氣側(cè)的顯熱換熱系數(shù)hs和管內(nèi)側(cè)的換熱系數(shù)hi成為求解U的關(guān)鍵。這里針對空氣側(cè)換熱系數(shù)hs進(jìn)行研究。為了運用相似原理將翅片管換熱器模型的研究結(jié)論推廣到原型中去,空氣側(cè)換熱性能通常由無量綱數(shù)Nu或Colburn換熱因子j表示。采用j因子來描述空氣側(cè)的換熱性能,其定義如下:j=hsGcCpaPr2/3(7)式(7)中,空氣側(cè)換熱系數(shù)hs是求解j因子的關(guān)鍵,下面給出其詳細(xì)求解方法:在析濕工況下,從空氣側(cè)計算測試換熱器的換熱量Q,則它等于顯熱換熱量Qs和潛熱換熱量Ql之和,即:Q=Qs+Ql=(A1+ηf,wetA2)×[hs(Ta-Tfb)+hmifg(Wa-Wfb)](8)根據(jù)劉易斯關(guān)系式又有:hshm=CpaLe2/3(9)將式(9)代入式(8)得:hs=Q/{(A1+ηf,wetA2)×[(Τa-Τfb)+ifgCpaLe2/3(Wa-Wfb)]}(10)式(10)中的濕翅片效率ηf,wet采用S.Y.Liang的分析方法分全濕工況和部分濕工況進(jìn)行計算。換熱器的換熱量Q通過式(11)~(13)求解得到:Q=Qa+Qw2(11)Qa=ma(ia,in-ia,out)(12)Qw=mwCpw(Tw,out-Tw,in)(13)根據(jù)ASHRAE33-78的要求,只有滿足|Qw-Qa|/Q≤0.05的數(shù)據(jù)才認(rèn)為是有效試驗數(shù)據(jù)。這里所有用來處理的試驗數(shù)據(jù)都滿足此要求。根據(jù)式(10)~(13)便可以計算出hs。3表面冷凝水的影響析濕工況下帶親水層波紋翅片管換熱器空氣側(cè)的換熱和壓降特性比不帶親水層換熱器的要好。這是由于親水層使凝結(jié)的冷凝水在翅片表面形成了一層水膜并快速流下。而對于不帶親水層的波紋翅片管換熱器,冷凝水以水珠形式存在于翅片表面,這樣相當(dāng)于使得翅片表面變粗糙了。兩種情況下空氣側(cè)換熱都強(qiáng)于干工況下的,但前者增強(qiáng)換熱的效果比后者好。下面將詳細(xì)地分析翅片間距、管排數(shù)和入口空氣相對濕度等對帶親水層波紋翅片管換熱器空氣側(cè)特性的影響。3.1翅片間距對換熱器性能的影響翅片間距對空氣側(cè)換熱和壓降特性的影響如圖3所示。在測試的雷諾數(shù)范圍內(nèi),換熱因子和摩擦因子都隨著雷諾數(shù)的增大而減小。在相同的雷諾數(shù)下,翅片間距越小則空氣側(cè)的換熱因子越大。當(dāng)Dc為7.21mm時,Fp為1.2mm換熱器的空氣側(cè)換熱因子比Fp為1.7mm換熱器的要高9%~23%;當(dāng)Dc為9.74mm時,Fp為1.4mm換熱器的換熱因子比Fp為1.8mm換熱器的最高可增加50%。這個規(guī)律可以解釋如下:當(dāng)翅片間距增大時,翅片波紋頂點后的回流區(qū)也隨著擴(kuò)大,這就導(dǎo)致了換熱性能的減小?？諝鈧?cè)的摩擦因子隨著翅片間距的減小而增大。對Dc為7.21mm的換熱器,當(dāng)雷諾數(shù)小于1600時,Fp為1.2mm時的摩擦因子比Fp為1.7mm時的要高17%~26%。當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定值時(對Dc為7.21mm的換熱器,大約為2200;對Dc為9.74mm的換熱器,大約為3000),空氣側(cè)摩擦因子對翅片間距的變化不敏感。這是由于當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定值時,翅片間的水滴幾乎全被空氣夾帶走,這樣翅片間距對摩擦因子的影響就很小了。從上面的分析可以看出,Dc為9.74mm換熱器的空氣側(cè)換熱和摩擦因子受翅片間距的影響比Dc為7.21mm的換熱器更大。也就是說,當(dāng)換熱器管外徑越大,其空氣側(cè)特性受翅片間距的影響越顯著。3.2管排數(shù)的影響管排數(shù)對空氣側(cè)特性的影響如圖4所示。在相同的雷諾數(shù)下,空氣側(cè)的換熱因子隨著管排數(shù)的增加而減小。這是因為,當(dāng)增加管排數(shù)后,管后渦流區(qū)的范圍會擴(kuò)大,其對換熱的惡化作用將增強(qiáng)。從圖中可以看到,管排數(shù)對空氣側(cè)摩擦因子的影響不顯著。由于析濕工況下波紋翅片表面覆蓋的親水層可以使冷凝水從翅片表面快速流下,空氣通過換熱器的壓降特性和干工況下的空氣側(cè)壓降特性相似。而WangCC等對干工況下波紋翅片管換熱器的空氣側(cè)特性研究后發(fā)現(xiàn),空氣側(cè)的壓降特性幾乎不受管排數(shù)的影響。因此析濕工況下管排數(shù)對帶親水層波紋翅片管換熱器的壓降特性影響不顯著。3.3空氣側(cè)濕度的影響入口空氣相對濕度對空氣側(cè)特性的影響如圖5和6所示?？梢钥闯?對Dc為9.74mm的換熱器,不論入口水溫為6℃還是12℃,空氣側(cè)的換熱因子都是隨著入口空氣相對濕度的增大而增大,而摩擦因子則幾乎不受入口相對濕度的影響。這是因為,波紋翅片的表面覆蓋了親水層,在翅面上形成的冷凝水能夠快速流下而不會堵塞空氣流道,當(dāng)相對濕度增大時,有更多的冷凝水從翅片表面快速流下,它們對空氣的擾動作用增強(qiáng)了換熱,而空氣側(cè)壓降由于空氣流道依然非常暢通增加很小。WangCC等對帶親水層百葉窗翅片管換熱器在析濕工況下的空氣側(cè)特性進(jìn)行了研究,得出入口空氣相對濕度對空氣側(cè)顯熱換熱系數(shù)幾乎沒有影響,而空氣側(cè)壓降則隨著入口相對濕度的增大而增大?？諝鈧?cè)特性隨著入口相對濕度的變化規(guī)律和本文的研究結(jié)果完全不同。可能的原因如下:百葉窗翅片和波紋翅片增強(qiáng)換熱的機(jī)理是不同的,其中百葉窗翅片是靠破壞邊界層來增強(qiáng)換熱而波紋翅片是靠加長空氣流道和增強(qiáng)空氣混合來增強(qiáng)換熱。在百葉窗翅片的百葉窗處很容易積聚冷凝水,當(dāng)入口相對濕度增大時,積聚的冷凝水隨著增多,導(dǎo)致壓降隨著增大。如圖5所示,當(dāng)入口水溫為12℃時,對三種不同尺寸的換熱器,相對濕度為80%時的換熱因子比50%時的高出6%~15%。如圖6所示,當(dāng)入口水溫為6℃時,相對濕度為80%時的換熱因子比50%時的高出14%~32%。由此可以得出,當(dāng)采用更低的入口水溫時,入口空氣相對濕度對換熱因子的影響則更顯著。這可能和下列現(xiàn)象有關(guān):入口水溫越低,則翅片表面就越低于入口空氣的露點溫度,會有越多的冷凝水在翅片表面形成,冷凝水對空氣的擾動作用就更大。4低熱值分布條件對冷諾數(shù)的影響研究了析濕工況下7個帶親水層波紋翅片管換熱器空氣側(cè)的換熱流動特性。在分析了試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,可以得到下列結(jié)論:1