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      錯排孔板封頭對板翅式換熱器流動與換熱的影響

      點擊:1673 日期:[ 2014-04-26 22:14:21 ]
                              錯排孔板封頭對板翅式換熱器流動與換熱的影響                                 周愛民  厲彥忠  文鍵  王江                      (西安交通大學能源與動力工程學院,陜西西安710049)     摘要:在對板翅式換熱器內部物流分配研究的基礎上,研究了錯排孔板型結構封頭對板翅式換熱器出口流動與換熱的影響。通過實驗與工業用基本型封頭對比,結果表明錯排孔板型封頭能夠明顯地改善換熱器出口截面流量和溫度分布的不均勻性。在Re=2 000時換熱器的出口流量分布不均勻度大幅度地下降;而在 數較大情況下,能更加顯著地改善溫度分布的不均勻性。     關鍵詞:錯排孔板型封頭結構;板翅式換熱器;物流分配;溫度分布;換熱性能     中圖分類號:TK 124 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9954(2006)05-0012-04     板翅式換熱器具有結構緊湊、傳熱效率高等特點,與傳統的管殼式換熱器相比,其傳熱效率提高20%_30% ,成本可降低50% ,現已廣泛應用于空氣分離、石油化工、航空航天等領域。然而由于板翅式換熱器設計、制造及結構的不合理造成換熱器內部物流分配和溫度分布不均勻,而其又是影響板翅式換熱器換熱效率的主要因素。針對物流分配、溫度分布引起換熱器效能的影響因素,文獻[3]研究發現物流分配的不均勻性主要發生在封頭部分,而導流片部分的不均勻性,主要由封頭的來流不均勻所引起,因而研究封頭結構對板翅式換熱器流動和換熱的影響具有重要意義。     提出和設計了錯排孔板型封頭結構,本文主要研究錯排孔板封頭和工業用基本封頭對換熱器內部物流分配及溫度分布的影響。     1 實驗系統及內容     實驗系統采用空氣作為實驗工質,逆流方式布置。實驗系統如圖1所示,主要由空氣回路系統和數據采集系統組成。實驗研究的對象是經過?;Y構的目前開封空分廠正在使用的板翅式換熱器和導流體。為了實現對截面小流量和溫度的測量,將試件的流動截面劃分為30個小的區域,如文獻[3]中所示,每個小區作為一個通道,可以進行小通道的流量和溫度測量。                         為實現針對不同封頭的對比實驗,實驗中換熱器主體部分即熱端為安裝固定的基本型封頭,而冷端為可拆裝的不同結構的封頭。文獻[4]根據對基本封頭的計算結果,在封頭內部高度一半的地方加入一塊帶有不均勻孔的擋板,提出了帶孔板的封頭結構。理想情況下,孔的面積和通過孔的流體流速可以達到∫vdA=常數。使得流體在到達封頭出口J前,就已經進行均勻分配,從而達到改善封頭內部物流分配的目的。     本文分別對如下2種不同結構的封頭進行實驗,研究其對換熱器內部物流分配及溫度分布的影響:     (1)工業上普遍應用的基本封頭,其結構尺寸與文獻[3]中定義的封頭一致。     (2)改進的封頭結構,采用在封頭內部高度一半的地方加入一錯排不均勻打孔擋板(稱為改進型封頭),封頭結構見圖2,孔板結構見圖3。試件中的孔板打孔率沿著擋板的中軸線向兩側逐漸增加且成對稱分布??装迳涎刂休S線由里向外分別均勻地打小、中、大3種不同直徑的孔。                        2 實驗結果分析與討論     為了表示換熱器截面通道流量分配和溫度分布的絕對不均勻參數,引入數理統計上的標準方差S。它體現了計算數據的離散程度,所得絕對值越大表示截面被測量分配越不均勻,反之,其分配就越均勻。定義                      式中,Sv和.St分別表示速度和溫度分布的不均勻參數;下標ch( )表示第i個通道的測量值,ave表示截面平均測量值;N表示總通道數。     另外引入θ表示換熱器截面各通道被測參數的最大值與最小值之比,也從一定程度上反映了不均勻分配的情況。即                       2.1 2種封頭結構出口截面流速分布情況     文獻[3]對板翅式換熱器物流分配特性進行了詳細的實驗研究,本文僅以Re=2 000時為例來說明。圖4是Re=2 000時工業用普通基本型封頭結構換熱器出口截面流速分布圖,采用柱狀形式表示30路冷流體流速值。                       為了便于分析,將與人口管來流相同的方向定義為縱向,垂直來流方向定義為橫向。從圖中可以看到,基本型封頭結構的板翅式換熱器內部物流分配極不均勻。換熱器出口截面流速分布呈現出一定的規律:由于入口管流速的影響,橫向上速度分布是沿著入口管軸線附近速度較高,逐漸向兩邊遞減,基本呈對稱分布;中間2排通道的流速明顯大于其余4排通道的流速,隨著通道遠離總管軸線,其內部流量呈減小的趨勢;而縱向上流速分布的變化比橫向上要小。這是因為橫向物流分配不均勻主要是由封頭結構造成的,縱向物流分配不均勻主要是由導流片造成的,而前者的影響是主要的。     圖5和圖6分別表示的是在Re為2000時,2種封頭結構換熱器橫向和縱向出口截面物流分配隋況。                             圖中可以明顯看出錯排孔板改進型封頭結構對物流分配的改善,即在目前工業中普遍應用的基本型封頭下出口截面流速分布極其不均:對應入口管附近的最高速度為3.36 m/s;而遠離入口管處于截面四角的最低速度為0.73 m/s,最大流速比θ為4.6,標準方差Js. 為0.62;橫向平均速度最大和最小值分別為2.47 m/s和1.08 m/s,縱向平均速度最大和最小值分別為2.42 m/s和1.41 m/s。而在改進型封頭內加入打孔擋板的封頭下,中央位置高流速區的速度大大降低,而四周低流速區的速度均明顯升高,最高流速為1.97 m/s;而最低流速為1.73 m/s,最大流速比為1.14,標準方差為0.07;橫向平均速度最大和最小值分別為1.88 m/s和1.75m/s,縱向平均速度最大和最小值分別為1.89 m/s和1.76 m/s。較基本型都有很大程度上的改善。     上述現象可以解釋為:錯排打孔擋板中央正對著入口管的地方孔徑較小,可以使來流受到較大的阻力,從而使得四周的孔中流過的流體增多,而四周較大的孔徑保證了分流來的流體順利通過。由于錯排孔板在當量直徑的變化上更具有連續性,因而可以使得經過孔板四周的流體速度不至于降得過低,從而提高了整個板束出口截面流速分布的均勻性。     2.2 不同結構封頭對換熱器換熱的影響     換熱器內部物流分配不均勻性的改進,主要目的是為了提高換熱器的換熱性能。受實驗條件所限,本文中考察熱側流體Re=800時有3種進口溫度,冷側流體Re=6OO、900、1 200、1 500、1 800來流條件下相應的變化規律,考察Re數對換熱性能的影響。以下出現的Re數均為換熱器冷側流體Re數。     2.2.1 與基本型封頭結構換熱性能比較     實驗結果表明,隨著Re數的增大,溫度分布規律和流場分布規律相一致,不均勻參數都逐漸增大。改進型封頭結構在改善截面流量分配的基礎上使得溫度分布也有很好的改善,降低了溫度分布的不均勻參數,提高了換熱器的換熱性能。表1給出了兩者的對比結果。                        對換熱器整體效能ε計算得出:在心數較小時,改進型封頭截面溫度分布不均勻參數St和換熱器效率ε提高不是很明顯;而在Re=1 800時,兩者均可提高9%左右。結合文獻[3_-4]的研究結果可以預測:隨著尺e數的增加,換熱器的物流分配和溫度分布不均勻參數將會有顯著改善,換熱器效率也將會大大提高。     2.2.2 傳熱溫差對出口截面溫度分布的影響     為了對比分析同一尺e數下傳熱溫差對板翅式換熱器截面溫度分布的影響,在其他條件不變,冷側Re=600時,冷流體側進口溫度為34.5℃,通過加熱熱側的進口溫度來改變冷熱流體的傳熱溫差△t。表2表示了不同溫差下換熱器的溫度分布的不均勻參數,可以看出溫度分布隨著傳熱溫差的增大出VI平均溫度升高,截面上溫度分布更趨于不均勻,出VI最大溫度與最小溫度差值由3.4℃擴大到7.8℃,最大溫度與最小溫度比值θ也逐漸擴大。其原因在于溫差增大加劇了不同流量通道之間流體的換熱差異,使得換熱器通道之間的軸向、周向導熱量增大,導致各截面溫度分布不均勻參數增大。                        2.2.3 不同如數對出口溫度分布的影響    文獻[3]的實驗結果表明:在層流范圍內隨著數的增大,換熱器截面流量分配會越來越不均勻。圖7和圖8分別表示了不同如數改進型封頭結構換熱器橫向和縱向截面溫度的分布情況。                        隨著Re數的增大,冷流體3O路出口的平均溫度有所降低,溫度分布趨于更不均勻。這說明隨著Re數的增大,溫度的不均勻性也逐漸增大,這與流量分配的變化趨勢相一致。    表3列出了不同如下溫度分布的不均勻參數θ的比較,說明了隨著如數的增大,流量分配不均會造成各部分傳熱不一致,從而導致了溫度分布的不均勻,并且換熱器截面溫度范圍在進一步擴大,不均勻參數也逐漸增大,影響了換熱器的換熱性能。                       3 結論     (1)實驗發現在封頭內部加入錯排孔板型封頭結構對于改善換熱器內部物流分配的不均勻具有很好的效果,能夠有效降低最大流速和不均勻參數S。     (2)不同進口溫度條件對換熱器溫度分布實驗研究表明:冷熱流體的傳熱溫差越大,換熱器截面溫度就越不均勻,小的傳熱溫差可以改善換熱器內部溫度分布。如數不僅影響板束單元內部物流分配的均勻性,也是影響溫度分布的重要因素。     (3)實驗分析了不同工況條件下的錯排孔板封頭結構換熱器出口截面溫度分布不均勻性,錯排孔板型封頭結構能有效地改善換熱器的換熱效果。
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