朱致遠(yuǎn)， 刁永發(fā)， 茅文焯， 胡赟星

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2. 上海東潤(rùn)換熱設(shè)備股份有限公司， 上海 201518)

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)能力大大提高，用能隨之增加，大型高壓電機(jī)、變頻器、變壓器的總裝機(jī)容量逐年增加，目前我國(guó)在網(wǎng)運(yùn)行變壓器約1 700萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘考s110億kV·A。這些耗能設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量余熱，需要及時(shí)散熱以保持性能的穩(wěn)定，因而對(duì)換熱器的傳熱性能和耐用性提出了更高的要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱器的傳熱和流阻性能進(jìn)行了大量的研究。趙蘭萍等[1]分析排數(shù)和翅片間距等因素對(duì)矩形翅片橢圓換熱管束流動(dòng)換熱性能的影響，結(jié)果表明翅片間距對(duì)阻力影響較大。Tang等[2]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算法分析不同進(jìn)氣角度對(duì)兩排平直翅片橢圓管換熱器流動(dòng)換熱的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣角度為45°時(shí)傳熱性能最好，90°時(shí)壓降最小。Deepakkumar等[3]研究圓管、橢圓管組合翅片管換熱器的風(fēng)側(cè)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，先將橢圓管成組再排圓管的風(fēng)側(cè)性能比橢圓管和圓管交替排列的好。Li等[4]在翅片管換熱器徑向布置小翼以強(qiáng)化換熱器空氣側(cè)換熱，研究小翼結(jié)構(gòu)的尺寸、攻角和位置對(duì)換熱器傳熱和流動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明，這種翅片結(jié)構(gòu)既能增強(qiáng)換熱性能又不會(huì)帶來(lái)額外壓力損失。Chu等[5]對(duì)圓形和橢圓形大直徑管的正弦波翅片管換熱器的空氣側(cè)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：當(dāng)片距為3.0 mm時(shí)，圓管結(jié)構(gòu)壓降比橢圓管結(jié)構(gòu)高出約10%；當(dāng)片距降為1.8 mm時(shí)，橢圓管結(jié)構(gòu)比圓管結(jié)構(gòu)的壓降高5%～10%。江榮方等[6]提出一種矩形前緣結(jié)構(gòu)的扁管換熱器，結(jié)果表明這種扁管的阻力比圓管小，但是其迎風(fēng)面為矩形，不利于空氣流動(dòng)且增大了阻力。胡興軍等[7]研究不同扁管前緣結(jié)構(gòu)半徑對(duì)百葉窗和鋸齒形翅片扁管換熱器空氣側(cè)熱工水力性能的影響，結(jié)果表明，增大前緣圓角半徑有利于改善不同風(fēng)速下熱交換器的空氣側(cè)換熱性能，但是百葉窗和鋸齒形翅片對(duì)加工工藝要求較高。劉戰(zhàn)等[8]利用有限元軟件研究迎面風(fēng)速和翅片間距變化對(duì)百葉窗翅片扁管換熱器的傳熱和流動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明：百葉窗翅片扁管換熱器的換熱性能隨迎面風(fēng)速的增大先增大后趨于恒定；在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，較小的翅片間距可獲得較好的換熱性能。陳俊華等[9]提出縱向翅片扁管換熱器，結(jié)果表明相同入口條件下扁管的管內(nèi)傳熱性能優(yōu)于普通圓管，但是翅片沿管長(zhǎng)方向縱向分布，空氣流動(dòng)距離較長(zhǎng)，受到的阻力較大。

上述研究的翅片管基管有圓管、橢圓管和扁管。以圓管和橢圓管為基管的換熱器的布管形式主要為多排和叉排[10-14]，空氣流經(jīng)管排的阻力較大，且在空氣流動(dòng)方向上圓管的管背面尾流區(qū)較大，換熱面積利用不充分，換熱效率較低。本研究提出一種翅片橫向布置且扁管迎風(fēng)面為圓弧形的扁管換熱器，將其傳熱和阻力性能與長(zhǎng)×寬×高為810 mm×440 mm×280 mm的叉排圓管換熱器進(jìn)行對(duì)比。

1 橫向翅片扁管換熱器簡(jiǎn)介

橫向翅片扁管換熱器的示意圖如圖1所示。矩形翅片橫向布置，換熱器整體采用單排并沿空氣流動(dòng)方向平行布置，相比多排、叉排管，明顯減少了空氣在流動(dòng)方向上流向變化頻次，可明顯降低空氣側(cè)阻力。管末端尾流區(qū)形成的渦漩較少，對(duì)換熱效果影響不大。扁管兩側(cè)為圓弧形，空氣流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)形扁管。扁管內(nèi)部設(shè)有多條加強(qiáng)筋，把扁管內(nèi)部分隔成多條空腔通道，一方面強(qiáng)化了扁管的耐壓能力，另一方面增大了傳熱介質(zhì)在內(nèi)部與基管的流動(dòng)換熱面積。

圖1 橫向翅片扁管換熱器示意圖Fig.1 Schematic of transverse finned flat tube heat exchanger

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)件、冷風(fēng)系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)4部分組成，裝置示意圖如圖2所示。室外冷空氣在風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下進(jìn)入風(fēng)道，在換熱器管外流動(dòng)，而水箱中加熱后的水在管內(nèi)流動(dòng)，兩種介質(zhì)通過(guò)基管和翅片進(jìn)行熱交換。在工況穩(wěn)定后采集試驗(yàn)數(shù)據(jù), 每次工況穩(wěn)定時(shí)間約為15 min，熱平衡誤差控制在5%以內(nèi)。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)空氣流速獲得試驗(yàn)中所需的各種工況，即風(fēng)速分別為2、4、6、8、10 m/s。

1—風(fēng)機(jī)；2—入口風(fēng)測(cè)溫排架；3—水箱；4—加熱器；5—電磁水流量計(jì)；6—進(jìn)出風(fēng)壓差變送器；7—換熱器試驗(yàn)件；8—進(jìn)出水壓差變送器；9—出口風(fēng)測(cè)溫排架；10—皮托管流量計(jì)。圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

2.2 測(cè)試樣件

圓管換熱器的管排數(shù)量為6，回程數(shù)為6，總翅片間距為14.00 mm；圓管的外徑為14.45 mm，內(nèi)徑為14.00 mm；整體管束采用叉排布置方式。橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱水器試驗(yàn)件的詳細(xì)尺寸如表1所示。

表1 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的幾何參數(shù)

由表1可知：叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的空氣側(cè)流通橫截面積分別為0.356 4和0.322 6 m2，叉排圓管換熱器僅比橫向翅片扁管換熱器多0.033 8 m2，可以確保相同迎面風(fēng)速時(shí)質(zhì)量流量相近，并有相同的入口條件。換熱器空氣流經(jīng)長(zhǎng)度為其橫向高度，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的空氣流經(jīng)長(zhǎng)度分別為0.280和0.154 m，用進(jìn)出口壓降除以空氣流經(jīng)長(zhǎng)度得到單位長(zhǎng)度壓降，然后對(duì)管外空氣阻力進(jìn)行比較，消除流經(jīng)長(zhǎng)度不一致帶來(lái)的影響。叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的總換熱面積分別為49.86和32.46 m2，采用單位面積換熱量對(duì)兩種換熱器進(jìn)行比較，消除換熱面積不一致帶來(lái)的影響。

根據(jù)表1計(jì)算得出，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的單位體積換熱面積分別為499.639 2和653.457 4 m2,即橫向翅片扁管換熱器的單位體積換熱面積比叉排圓管換熱器大153.818 2 m2，可見(jiàn)橫向翅片扁管換熱器緊湊程度較好。

2.3 傳熱與流阻性能分析

2.3.1 單位面積換熱量

換熱方程為

Q=K·A·ΔTm

(1)

式中：Q為換熱量，W；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為總換熱面積，m2；ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差，K。

單位面積換熱量(q)為

(2)

試驗(yàn)取熱水放熱量和空氣吸熱量算術(shù)平均值作為換熱量，利用液體側(cè)和空氣側(cè)的溫度測(cè)點(diǎn)得到對(duì)數(shù)平均溫差，根據(jù)式(1)計(jì)算總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)為中間變量。

2.3.2 管外傳熱系數(shù)

試驗(yàn)件是新加工的，因此可以忽略空氣側(cè)和液體側(cè)的污垢熱阻。液體側(cè)的努塞爾數(shù)可根據(jù)Dittus-Boelter公式[15]求解，反推得到液體側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)?？諝鈧?cè)對(duì)流換熱系數(shù)即管外傳熱系數(shù)可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中：h1為管外傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；h2為液體側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K);δ為管壁厚度，m；λ為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2.3.3 傳熱因子和阻力因子

表示傳熱性能的傳熱因子j定義如下：

(4)

式中：Pr、Nu、Re分別為空氣普朗特?cái)?shù)、努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)。Nu、Re分別定義如下：

(5)

(6)

式中：l為特征尺寸，取橫向翅片扁管換熱器和圓管換熱器空氣流經(jīng)長(zhǎng)度的平均值0.217 m；μ為空氣黏度，Pa·s；ρ為空氣密度，kg/m3；U為空氣流速，m/s。取進(jìn)出口空氣平均溫度為定性溫度來(lái)查得相應(yīng)的空氣密度和黏度。

表示阻力性能的阻力因子f定義如下：

(7)

式中：Δp為空氣進(jìn)出口壓降，Pa。

2.3.4 綜合性能指標(biāo)PEC

兩種換熱器的結(jié)構(gòu)形式有所不同,為合理評(píng)價(jià)兩者的流動(dòng)傳熱能力，引入綜合性能指標(biāo)PEC。PEC表示單位壓降下?lián)Q熱器傳熱能力的強(qiáng)弱，其值IPEC越大，換熱器綜合傳熱性能越優(yōu)異。

(8)

其中，歐拉數(shù)Eu定義如下：

(9)

3 結(jié)果與分析

3.1 傳熱及流阻性能結(jié)果

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器單位長(zhǎng)度壓降對(duì)比如圖3所示。

圖3 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器單位長(zhǎng)度壓降對(duì)比Fig.3 Comparison of pressure drop per unit length of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

由圖3可知，當(dāng)風(fēng)速?gòu)? m/s增大到10 m/s時(shí)，兩種換熱器的單位長(zhǎng)度壓降均隨風(fēng)速的增大而增大，相比叉排圓管換熱器，橫向翅片扁管換熱器的單位長(zhǎng)度壓降變化幅度較小。叉排圓管換熱器的單位長(zhǎng)度壓降始終大于橫向翅片扁管換熱器，并且隨著風(fēng)速的增加,兩者的差距越來(lái)越大。當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，橫向翅片扁管換熱器單位長(zhǎng)度壓降為181.81 Pa/m，而叉排圓管換熱器為490.86 Pa/m；當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，橫向翅片扁管換熱器單位長(zhǎng)度壓降為441.56 Pa/m，而叉排圓管換熱器為1 933.04 Pa/m。由此可見(jiàn)，橫向翅片扁管換熱器的流動(dòng)阻力要小于圓管換熱器。這主要是因?yàn)椋簷M向翅片扁管換熱器具有優(yōu)異的低風(fēng)阻結(jié)構(gòu)，并且叉排圓管換熱器為叉排布置，而橫向翅片扁管換熱器為單排平行布置，空氣流經(jīng)橫向翅片扁管換熱器時(shí)流向改變頻數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于叉排圓管換熱器，且空氣流過(guò)的距離較小，此外扁管兩側(cè)為圓弧形，有利于空氣的流動(dòng)。

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的單位面積換熱量隨風(fēng)速變化如圖4所示。由圖4可知：隨著風(fēng)速的增大，兩種換熱器的單位面積換熱量均逐漸增加，但增幅逐漸減小，其中叉排圓管換熱器的增幅比橫向翅片扁管換熱器的大；當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s時(shí)，叉排圓管換熱器單位面積換熱量的增幅逐漸增大。相同風(fēng)速下，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量始終大于橫向翅片扁管換熱器，并且風(fēng)速越大,兩者的差值越大。風(fēng)速為4 m/s時(shí)，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量比橫向翅片扁管換熱器多8.90%；風(fēng)速為10 m/s時(shí)，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量比橫向翅片扁管換熱器多45.23%。

圖4 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的單位面積換熱量隨風(fēng)速的變化Fig.4 Change of heat exchange per unit area with wind velocity of transverse finned flat tube heat exchanger and staggeredcircular tube heat exchanger

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的管外傳熱系數(shù)對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，風(fēng)速?gòu)? m/s增大到10 m/s時(shí)，兩種換熱器的管外傳熱系數(shù)均隨風(fēng)速的增大而增大，但叉排圓管換熱器的增幅大于橫向翅片扁管換熱器。風(fēng)速為2 m/s時(shí)，叉排圓管換熱器的管外傳熱系數(shù)比橫向翅片扁管換熱器大24.522 W/(m2·K)；風(fēng)速為10 m/s時(shí)，叉排圓管換熱器的管外傳熱系數(shù)比橫向翅片扁管換熱器大32.873 W/(m2·K)。

圖5 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器管外傳熱系數(shù)對(duì)比Fig.5 Heat transfer coefficient comparison of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的傳熱因子j隨Re變化如圖6所示。由圖6可知，兩種換熱器的傳熱因子j均隨Re增大而減小，并且叉排圓管換熱器的傳熱因子j始終大于橫向翅片扁管換熱器j因子。Re為2.5×104時(shí)，叉排圓管換熱器傳熱因子j為0.007 8，橫向翅片扁管換熱器傳熱因子j為0.003 8；Re為1.4×105時(shí)，叉排圓管換熱器傳熱因子j為0.002 6，橫向翅片扁管換熱器傳熱因子j為0.001 5。相同Re下，叉排圓管換熱器的傳熱能力要強(qiáng)于橫向翅片扁管換熱器。

圖6 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的傳熱因子j隨Re的變化Fig.6 Variation of j of transverse finned flat tube heatexchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的阻力因子f隨Re變化如圖7所示。由圖7可知，叉排圓管換熱器阻力因子f隨Re增加而減小，但是變化幅度較小，當(dāng)Re從2.5×104增加到1.4×105時(shí)，叉排圓管換熱器阻力因子f從15.11降低到15.08；橫向翅片扁管換熱器阻力因子f隨Re增加而減小，當(dāng)Re從2.5×104增加到1.4×105時(shí)，橫向翅片扁管換熱器阻力因子f從3.05降低到0.99。Re相同時(shí)，橫向翅片扁管換熱器對(duì)空氣的流動(dòng)阻力要小于叉排圓管換熱器，橫向翅片扁管換熱器流阻性能比較強(qiáng)。

圖7 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器阻力因子f隨Re的變化Fig.7 Variation of f of transverse finned flat tube heatexchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的Nu隨Re的變化如圖8所示。由圖8可知，兩種換熱器的Nu隨Re增大而增大，且叉排圓管換熱器增幅大于橫向翅片扁管換熱器。Re為2.5×104時(shí)，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的Nu分別為424.25和233.03；Re為1.4×105時(shí)，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的Nu分別為679.09和448.59。由此可見(jiàn)，相同Re下，叉排圓管換熱器的對(duì)流換熱強(qiáng)度高于橫向翅片扁管換熱器。

圖8 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的Nu隨Re的變化Fig.8 Variation of Nu of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的Eu隨Re的變化如圖9所示。由圖9可知：叉排圓管換熱器的Eu隨Re增大而減小，但是變化幅度較小，當(dāng)Re從2.5×104增加至1.4×105時(shí)，叉排圓管換熱器的Eu從30.22降低至30.16；橫向翅片扁管換熱器的Eu隨Re增加而減小，當(dāng)Re從2.5×104增加至1.4×105時(shí)，橫向翅片扁管換熱器的Eu從6.10降低至1.98。叉排圓管換熱器的Eu始終大于橫向翅片扁管換熱器的Eu，平均為橫向翅片扁管換熱器Eu的10.59倍。Re相同時(shí)，橫向翅片扁管換熱器的動(dòng)量損失比叉排圓管換熱器低。

圖9 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的Eu隨Re的變化Fig.9 Variation of Eu of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

根據(jù)Nu和Eu計(jì)算得到綜合性能指標(biāo)PEC(performance evaluation criterion)，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，雷諾數(shù)從2.5×104增至1.4×105時(shí)，兩種換熱器的綜合性能指標(biāo)計(jì)算值均隨雷諾數(shù)的增加而增大。Re≥2×104時(shí)，橫向翅片扁管換熱器PEC計(jì)算值大于叉排圓管換熱器PEC計(jì)算值。當(dāng)Re為2.5×104時(shí)，橫向翅片扁管換熱器PEC計(jì)算值為94.38，叉排圓管換熱器PEC計(jì)算值為77.17；Re為1.4×105時(shí)，橫向翅片扁管換熱器PEC計(jì)算值為318.78，叉排圓管換熱器PEC計(jì)算值為123.66。橫向翅片扁管換熱器的PEC計(jì)算值最大為叉排圓管換熱器的2.58倍，說(shuō)明單位壓降下橫向翅片扁管換熱器的換熱強(qiáng)度大于叉排圓管換熱器，這是因?yàn)闄M向翅片扁管換熱器的空氣流動(dòng)阻力較低。

圖10 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器PEC計(jì)算值對(duì)比Fig.10 Comparison of calculated values of PEC of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

3.2 傳熱及流阻準(zhǔn)則式

由最小二乘法計(jì)算得到的橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的準(zhǔn)則式，如表2所示。這些準(zhǔn)則式可以用于橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的熱力性能計(jì)算。

表2 換熱器傳熱和阻力準(zhǔn)則式Table 2 Correlation formula of heat transfer and resistance of heat exchanger

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比研究了橫向翅片扁管換熱器與叉排圓管換熱器的傳熱與流阻特性，主要結(jié)論如下：

(1)風(fēng)速?gòu)? m/s增至10 m/s時(shí)，兩種換熱器的單位長(zhǎng)度壓降、單位面積換熱量和管外傳熱系數(shù)都隨風(fēng)速的增大而增大。相同流速下，叉排圓管換熱器流動(dòng)阻力大于橫向翅片扁管換熱器。

(2)雷諾數(shù)從2.5×104增至1.4×105時(shí)，兩種換熱器的綜合性能指標(biāo)計(jì)算值都隨雷諾數(shù)的增大而增大。Re≥2.5×104，橫向翅片扁管換熱器綜合換熱能力超過(guò)叉排圓管換熱器，PEC計(jì)算值最大為叉排圓管換熱器的2.58倍。

(3)得到換熱器的傳熱和阻力準(zhǔn)則式。橫向翅片扁管換熱器：Nu=3.698 3Re0.406 2、Eu=8 149.800·Re-0.703、IPEC=0.041Re0.757 5，2.5×104≤Re≤1.4×105；叉排圓管翅片換熱器：Nu=21.030 0Re0.292 6、Eu=32.201Re-0.006、IPEC=3.792 7Re0.293 4，2.5×104≤Re≤1.4×105。