板翅式換熱器的傳熱與阻力特性研究

板翅式換熱器的傳熱與阻力特性研究

為了滿足空調(diào)的要求，需要使用熱濕處理裝置對空氣進行處理，以達到所需的通風狀態(tài)。表面熱處理裝置被廣泛應用于空調(diào)系統(tǒng)。板臂式換熱器具有傳播率高、緊湊性好、適用范圍廣、成本低等優(yōu)點。廣泛應用于低溫、航空、航空等領域。為了將板臂式換熱器應用于空調(diào)行業(yè)，有必要研究其傳熱和阻力特性。在這項工作中，我們研究了板夾偶式換熱器在空調(diào)條件下的傳熱和阻力特性，并分析了它們的熱力過程。1空氣側(cè)摩擦阻力的影響試驗用換熱器的翅片為平直形,單元結(jié)構(gòu)如圖1,尺寸見表1.氣—水板翅式換熱器用作表面式加熱器和冷卻器時,熱阻主要在空氣側(cè),無相變時強迫對流換熱系數(shù)可由下式計算:j=kPr2/3cpG(1)j=kΡr2/3cpG(1)式中j為傳熱因子;k為對流換熱系數(shù),J/m2·K;Pr是流體平均溫度下的普朗特數(shù);cp是流體定壓比熱,J/kg·K;G為流體的質(zhì)量流速,G=pu,kg/s·m2;u為流體的平均流速,m/s換熱器中空氣側(cè)的阻力可簡化為三部分:入口端、出口端和中心部分.在板翅式換熱器中,入口的壓力降和出口的壓力回升近似相等,阻力的主要部分為芯子中的摩擦阻力,它主要由傳熱面的形狀的改變而產(chǎn)生的阻力和摩擦阻力組成:ΔP=G22ρ1[2(ρ1ρ2?1)+4fLρ1deρm](2)ΔΡ=G22ρ1[2(ρ1ρ2-1)+4fLρ1deρm](2)式中ρ1、ρ2、ρm分別為流體進、出口和平均密度,kg/m3;f為摩擦系數(shù);L為換熱器通道長度,m;de為通道當量直徑,m空氣側(cè)的雷諾數(shù)是影響傳熱系數(shù)的主要因素(其定性尺寸為當量直徑),而空氣的流速加大會使流動阻力增大,不可逆損失增加.對換熱器用作表面式加熱器和冷卻器分別進行了試驗研究,空氣的迎面風速為2～3m/s,試驗用作表面式空氣加熱器時空氣入口的干球溫度為16～17℃,換熱器出口空氣溫度為37～40℃,熱水進口溫度為43℃,水流速為0.65m/s;試驗用作表面式空氣冷卻器時空氣入口干球溫度為20～23℃,出口為10.3～14.4℃,水側(cè)流速為0.65m/s,水的進口溫度為9.5℃,析濕系數(shù)為2.42,實驗結(jié)果如圖2～圖4,空氣側(cè)的一些準則關系式為:對流換熱系數(shù)的準則關系式為:kj=0.5744Re0.7287(3)kl=1.3297Re0.7404(4)kj=0.5744Re0.7287(3)kl=1.3297Re0.7404(4)傳熱因子的準則關系式為:jj=0.06256Re?0.2713(5)jl=0.1535Re?0.2596(6)jj=0.06256Re-0.2713(5)jl=0.1535Re-0.2596(6)摩擦系數(shù)的準則關系式為:fj=5.7661Re?0.5547(7)fl=16.6312Re?0.6977(8)fj=5.7661Re-0.5547(7)fl=16.6312Re-0.6977(8)式中下標j、l分別表示加熱器和冷卻器2熱分析2.1空氣火用平衡方程換熱器在強化傳熱的同時常導致流動阻力的增加,使得熱力過程的不可逆損失增大,因此有必要從熱力學第二定律的角度綜合分析換熱器的性能.某一狀態(tài)下穩(wěn)定物流的焓火用由溫度火用e(T)和壓力火用e(P)兩部分組成.ex=e(T)+e(P)(9)e(T)=∫TT0(1?T0T)CpdT(10)e(P)=∫vdp(11)ex=e(Τ)+e(Ρ)(9)e(Τ)=∫Τ0Τ(1-Τ0Τ)CpdΤ(10)e(Ρ)=∫vdp(11)理想氣體式(11)可寫成:e(p)=RT0lnPP0(12)e(p)=RΤ0lnΡΡ0(12)式中v為比容,m3/kg;P0、T0分別為環(huán)境的壓力和溫度圖5為板翅式換熱器處理空氣過程示意圖,根據(jù)熱力學第二定律火用平衡方程:Exa1+Ew2=Exa2+Ew2+El(13)Exa1+Ew2=Exa2+Ew2+El(13)式中Exa1、Exa2分別為空氣進出口火用,kJ;Ew1、Ew2分別為水進、出口火用,kJ;E1為換熱器內(nèi)的火用損,kJ換熱器的火用效率表達式為:ηex=Exa2?Exa1Exw1?Exw2=1?ElExw1?Exw2(14)ηex=Exa2-Exa1Exw1-Exw2=1-ElExw1-Exw2(14)取空氣的平均比熱作為計算參數(shù),由方程(4)、(6)得空氣火用的變化為:Exa2?Exa1=m˙a{cpa[(Ta2?Ta1)?T0lnTa2Ta1]+RaT0lnPa2Pa1}(15)Exa2-Exa1=m˙a{cpa[(Τa2-Τa1)-Τ0lnΤa2Τa1]+RaΤ0lnΡa2Ρa1}(15)水側(cè)傳遞的熱量火用為:Exw1?Exw2=m˙w(hw1?hw2)(1?T0Tˉˉˉw)(16)Exw1-Exw2=m˙w(hw1-hw2)(1-Τ0Τˉw)(16)式中m˙m˙w、m˙m˙a分別為水和空氣的質(zhì)量流量,kg/s;TˉˉˉΤˉw為水的平均溫度,K;Ta1、Ta2為空氣進、出口溫度,K;Cpa為空氣的平均定壓比熱,kJ/kg·K由方程(8)～(10)得:ηex=m˙a{cpa[(Ta2?Ta1)?T0lnTa2Ta1]+RaT0lnPa2Pa1}m˙w(hw1?hw2)(1?T0Tˉˉˉw)(17)ηex=m˙a{cpa[(Τa2-Τa1)-Τ0lnΤa2Τa1]+RaΤ0lnΡa2Ρa1}m˙w(hw1-hw2)(1-Τ0Τˉw)(17)2.2強化傳熱及系統(tǒng)性能分析利用試驗所得的數(shù)據(jù),以板翅式換熱器用作表面式加熱器(水進口流速Vw=0.65m/s,水進口溫度tw1=43℃,空氣進口溫度為ta1=16℃)為例,根據(jù)空調(diào)供暖設計手冊,取冬季供暖室外計算溫度t0=-5℃,對熱力過程進行分析,結(jié)果如圖6～圖7.板翅式換熱器的實驗和熱力學分析結(jié)