李鵬程，　孫志堅(jiān)，　黃　浩，　湯　舟，　胡亞才

(浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，杭州 310027)

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擾流孔強(qiáng)化波紋板蓄熱元件傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

李鵬程，孫志堅(jiān)，黃浩，湯舟，胡亞才

(浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，杭州 310027)

摘要：采用瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法研究了3種排列角度(15°、30°和45°)下的擾流孔波紋板蓄熱元件的傳熱性能，并比較了等效泵功下的Nu/Nuo＊值.結(jié)果表明：與未添加擾流孔的波紋板蓄熱元件相比，3種排列角度下的帶擾流孔的波紋板蓄熱元件的平均Nu分別提高了17.1%、24.8%和34.9%；3種情況下的平均阻力因數(shù)f分別提高了24.7%、33.1%和38.4%；與排列角度為30°和15°相比，45°時(shí)的Nu/Nuo＊分別提高了53.3%和67.8%，表明擾流孔排列角度為45°時(shí)，波紋板蓄熱元件具有最佳性能.

關(guān)鍵詞：擾流孔； 波紋板蓄熱元件； 強(qiáng)化傳熱； 傳熱性能； 實(shí)驗(yàn)研究

蓄熱式換熱器如空氣預(yù)熱器可以回收燃燒煙氣中的低品位熱能，提高燃料利用率[1].密集的波紋板蓄熱元件作為蓄熱式換熱器的核心部件，其結(jié)構(gòu)決定了蓄熱式換熱器的傳熱性能和流通阻力等，而傳熱性能直接關(guān)系到蓄熱式換熱器的工作效率[2].因此，加強(qiáng)波紋板蓄熱元件的基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)品開發(fā)，對于降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源具有重要意義.添加擾流孔是一種有效的強(qiáng)化換熱手段.Sahin 等[3-4]發(fā)現(xiàn)在傳熱元件上添加擾流孔，可以起到明顯的強(qiáng)化換熱效果.Karabacak等[5]研究發(fā)現(xiàn)，添加擾流孔后的傳熱元件在雷諾數(shù)Re高于臨界值后，其傳熱性能比未添加擾流孔的傳熱元件有較大提升，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上提出了Re和努塞爾數(shù)Nu的關(guān)系式.對于波紋板蓄熱元件，目前應(yīng)用較多的傳熱波紋板型有雙皺紋型(DU板)、人字版型(CC板)、皺紋板型(CU板)以及雙切口板型(DN板)，其中國內(nèi)應(yīng)用廣泛的是DU板和CC板.目前，CC板已有大量研究成果[6-9]，而DU板的研究相對較少.

將無擾流孔DU-1板與文獻(xiàn)[10]中DU板的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，在Re為1 000～11 000內(nèi)，DU-1板平均傳熱性能比DU板低17.41%，但是其平均流動(dòng)阻力比DU板要低55.96%，說明DU-1板改善了DU板的傳熱和阻力綜合性能.為了深入探究擾流孔強(qiáng)化傳熱的性能，筆者利用瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法研究了3種排列角度(15°、30°和45°)下帶擾流孔的DU-1板的傳熱與流動(dòng)性能，并從等效泵功角度進(jìn)行了分析研究.

1實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)傳熱元件流動(dòng)傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究的要求，對傳熱風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行設(shè)計(jì).由于在蓄熱元件上添加擾流孔后，較難維持蓄熱元件壁溫恒定，實(shí)驗(yàn)采取了瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)(單吹實(shí)驗(yàn))方法[11-12]，課題采用文獻(xiàn)[13]中的單吹數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)元件的傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1　實(shí)驗(yàn)元件傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置圖

瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)中，在風(fēng)機(jī)的作用下空氣通過電阻加熱器加熱至設(shè)定溫度，此處將空氣加熱至40 ℃.整體實(shí)驗(yàn)裝置外用絕熱保溫材料包裹，避免熱量散失.熱空氣通過實(shí)驗(yàn)中帶有擾流孔的蓄熱元件，空氣被冷卻.實(shí)驗(yàn)過程達(dá)到熱平衡后，空氣的吸熱量與加熱功率誤差低于5%.瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法中，進(jìn)出口空氣溫度隨時(shí)間變化，相應(yīng)的變化曲線會(huì)被記錄下來，當(dāng)變化曲線趨于穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)后改變風(fēng)速并迅速打開閥門1、關(guān)閉閥門2，此時(shí)冷空氣通過實(shí)驗(yàn)段冷卻實(shí)驗(yàn)元件，當(dāng)進(jìn)出口空氣溫度穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)元件冷卻至常溫后，關(guān)閉閥門1、打開閥門2，即可進(jìn)行下一工況的實(shí)驗(yàn).

1.2實(shí)驗(yàn)元件

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，空氣通過實(shí)驗(yàn)段后，在同一流道中的豎直截面上不同位置的空氣溫度存在較大溫差.因此，為了減小流體加熱不均帶來的溫度分布不均，造成測量誤差，在測量進(jìn)出口流體溫度時(shí)采取多點(diǎn)布置，結(jié)果取平均值的方法.

實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口通道各均勻布置9個(gè)熱電偶，測量誤差為±0.2 K.實(shí)驗(yàn)段壓差通過補(bǔ)償式微壓計(jì)測得，誤差在0.3 Pa范圍內(nèi).通過風(fēng)機(jī)閥門不斷改變空氣流速，在蜂窩整流段后面通道的中央位置用熱線風(fēng)速儀多次測量空氣流速并取平均值，其誤差在5%以內(nèi).

實(shí)驗(yàn)中蓄熱元件的尺寸為600 mm×127 mm，蓄熱元件的材料為低碳鋼，厚度為0.5 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為46.4 W/(m·K)，比熱容為502.4 J/(kg·K).蓄熱元件的波紋板型為DU-1，其當(dāng)量直徑de為9.96 mm，擾流孔直徑d為8 mm.孔位置為波紋板上開孔，開孔面積與定位板面積之比為孔隙率.實(shí)驗(yàn)段由4塊定位板和5塊波紋板組合而成，組合形式如圖2所示，上下為定位板，中間為波紋板.考慮到加工及蓄熱元件的強(qiáng)度問題,營造合理的擾流孔疏密排列區(qū)，擾流孔的排列方式如圖3所示，具體排列參數(shù)見表1.

圖2　DU-1板幾何結(jié)構(gòu)圖

圖3　擾流孔排列方式

排列角度α/(°)孔間距L1/mm孔間距L2/mm孔隙率/%1580402.523080402.344580401.43

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法

瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法是由單元實(shí)驗(yàn)段、關(guān)聯(lián)測量溫度和傳熱系數(shù)計(jì)算模型3部分組成的傳熱系數(shù)測量方法.在瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法中，進(jìn)出口空氣溫度隨時(shí)間而變化，將進(jìn)出口空氣溫度曲線記錄下來并對記錄的出口空氣溫度曲線與模型計(jì)算得出的出口空氣溫度曲線進(jìn)行比較，以確定平均傳熱系數(shù)[14].

2.2計(jì)算數(shù)學(xué)模型

由于本文實(shí)驗(yàn)空氣及波紋板溫升都在40 K以內(nèi)，其物性變化可以忽略，故進(jìn)行如下假設(shè)[14]：(1)空氣和實(shí)驗(yàn)段波紋板的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)近似不變；(2)空氣勻速流動(dòng)并且在矩形截面上均勻分布；(3)沿空氣流動(dòng)的垂直方向，空氣和波紋板的溫度近似不變；(4)實(shí)驗(yàn)段的外邊界散熱量可以忽略.實(shí)驗(yàn)段示意圖如圖4所示.

圖4　DU-1板實(shí)驗(yàn)段示意圖

單位長度dx內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換方程總結(jié)如下：

(1)

(2)

(3)

相應(yīng)的初始條件和邊界條件為

(4)

(5)

(6)

式中：ρ為密度；δ為厚度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；c為比熱容；T為溫度；u為空氣流速；t為時(shí)間；h為平均對流傳熱系數(shù)；x為沿流向的坐標(biāo)；W為表面換熱面積；Tin和Tout為測得的進(jìn)出口流體溫度；下標(biāo)s1、s2和f分別表示波紋板、定位板和空氣層.

方程式(1)～式(3)通過控制容積積分法可以轉(zhuǎn)化為有限差分方程.離散后的方程如下：

(7)

(9)

離散化方程的起始和邊界條件為

(10)

(11)

(12)

離散方程通過推導(dǎo)的三對角陣算法解得[15].為了求得平均對流傳熱系數(shù)h，首先設(shè)定h值，利用式(10)～式(12)解方程式(7)～式(9)，將得出的溫度與實(shí)際測量值進(jìn)行比較.通過改變h值進(jìn)行迭代計(jì)算，直到得出的溫度與實(shí)際測量值的誤差在設(shè)定范圍內(nèi).

2.3實(shí)驗(yàn)元件的流動(dòng)與傳熱性能

為了驗(yàn)證瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性，按照文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算對比.根據(jù)本文瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法得到平均對流傳熱系數(shù)為62.35 W/(m2·K),而文獻(xiàn)[14]中的平均對流傳熱系數(shù)為62.08 W/(m2·K)，表明了本文瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法的可靠性.

圖5給出了無擾流孔時(shí)測量進(jìn)口空氣溫度、測量出口空氣溫度與采用單吹數(shù)學(xué)模型計(jì)算的出口空氣溫度對比圖.由圖5可知，利用單吹數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算的出口空氣溫度曲線與測量出口空氣溫度曲線十分匹配，二者的均方根差為0.411 K，說明了瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可靠性.

圖5　實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)與單吹數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

圖6和圖7分別為Nu比值和阻力因數(shù)f比值隨Re變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.下標(biāo)“o”表示沒有添加擾流孔的DU-1板蓄熱元件.從圖6和圖7可以看出，與未添加擾流孔的DU-1板蓄熱元件相比，3種排列角度(15°、30°和45°)下的蓄熱元件的平均Nu分別提高了17.1%、24.8%和34.9%；而3種排列角度下的平均阻力因數(shù)f則分別提高了24.7%、33.1%和38.4%.這說明與其他強(qiáng)化傳熱手段相比，擾流孔帶來的阻力升高幅度較小，而強(qiáng)化傳熱效果明顯.擾流孔可以破壞流動(dòng)邊界層，從而起到強(qiáng)化傳熱的效果.3種排列角度下的強(qiáng)化傳熱效果不一致，這是由不同的開孔方式帶來的邊界層破壞程度不同引起的.擾流孔的存在導(dǎo)致流體在流道中會(huì)相互碰撞混合，引起阻力升高.其中，α=15°時(shí)，其對邊界層的影響小，帶來的強(qiáng)化傳熱效果和阻力升高幅度也相對較??；α=45°時(shí)邊界層破壞程度最大，強(qiáng)化傳熱效果也是三者中最好的，對應(yīng)的阻力升高幅度也最大.

圖6　Nu比值隨Re的變化

圖7　f比值隨Re的變化

擾流孔在強(qiáng)化波紋板蓄熱元件傳熱性能的同時(shí)也提高了阻力.為了從綜合角度說明3種擾流孔排列方式的性能差異，可使用PEC[16]指標(biāo)和等效泵功等方法進(jìn)行比較[17]，本文采用等效泵功方法.

圖8給出了等效泵功下的傳熱性能比較.從圖8可以看出，在相同的等效泵功下，α=45°時(shí)，具有最大的Nu/Nuo*值；α=30°次之，α=15°最小.與α為30°和15°相比，α=45°時(shí)的Nu/Nuo*分別提高了53.3%和67.8%，這表明擾流孔排列角度為45°時(shí)，擾流孔的孔隙率僅需1.43%即可得到良好的強(qiáng)化波紋板蓄熱元件傳熱效果.

圖8　等效泵功下的傳熱性能比較

3結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)方法對傳熱計(jì)算可靠性好.

(2)與未添加擾流孔的波紋板蓄熱元件相比，15°、30°和45° 3種排列角度下的蓄熱元件的平均Nu分別提高了17.1%、24.8%和34.9%；而3種排列角度下的平均阻力因數(shù)f則分別提高了24.7%、33.1%和38.4%.這說明擾流孔帶來的強(qiáng)化傳熱效果明顯，而阻力升高幅度相對較小.

(3)通過等效泵功下的Nu/Nuo*值比較發(fā)現(xiàn)，與排列角度為30°和15°相比，排列角度為45°時(shí)的Nu/Nuo*分別提高了53.3%和67.8%，這表明排列角度為45°時(shí)，波紋板蓄熱元件具有最佳性能.

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Experimental Study on Heat Transfer Enhancement of Corrugated Plate by Staggered Perforations

LIPengcheng,SUNZhijian,HUANGHao,TANGZhou,HUYacai

(Institute of Thermal Science and Power Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract：Transient test method was used to study the heat transfer performance of corrugated plate with staggered perforations in different arrangements (15°, 30° and 45°), and to compare the value of Nu/Nuo* at equal pumping power. Results show that compared with corrugated plates without perforations, the average Nu of the plate with staggered perforations in above three arrangements is increased by 17.1%, 24.8% and 34.9% respectively, with an increase of friction factor f by 24.7%, 33.1% and 38.4% accordingly. Compared with the arrangements of 15° and 30°, the value of Nu/Nuo* in the case of 45° is correspondingly increased by 53.3% and 67.8%, indicating that the heat transfer performance of corrugated plate reaches the maximum in the arrangement of 45°.

Key words：perforation; corrugated plate heat transfer element; heat transfer enhancement; heat transfer performance; experimental study

收稿日期：2015-06-30

修訂日期：2015-09-18

基金項(xiàng)目：金華市科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20131031)

作者簡介：李鵬程(1989-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事強(qiáng)化對流傳熱方面的研究.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)07-0530-05中圖分類號(hào)：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.10

孫志堅(jiān)(通信作者)，男，副教授，電話(Tel.): 13868130136;E-mail: sun_zju@126.com.