析濕工況下翅片管換熱器翅片效率計算分析

析濕工況下翅片管換熱器翅片效率計算分析

 戴紹碧

(廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院,廣東茂名525000 )

    [摘要]分析了析濕工況下五種翅片效率模型與實驗現(xiàn)象的吻合性,結(jié)果表明:全濕工況翅片效率對片基溫度與來流相對濕度不敏感,部分濕工況翅片效率對片基溫度與來流相對濕度十分敏感,翅片效率計算應(yīng)區(qū)分干、部分濕、全濕工況,并根據(jù)工況選用相應(yīng)計算模型。
    [關(guān)鍵詞]析濕工況;翅片效率;換熱器
    [中圖分類號] TB657·5; TK172; TQ051·5　　　[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A
    文章編號: ISSN1005-9180 (2011) 03-0076-04 
    0　前言
    翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)及化工等領(lǐng)域。在制冷、空調(diào)工程中,當(dāng)翅片管換熱器作為蒸發(fā)器或者表冷器使用時,翅片表面溫度往往低于來流空氣露點溫度,此時,翅片表面結(jié)露而形成水膜,空氣與翅片間同時存在傳熱與傳質(zhì),換熱的驅(qū)動力為焓差。濕翅片效率受翅片表面熱質(zhì)交換強度、換熱器結(jié)構(gòu)與材料、管內(nèi)流體溫度等多因數(shù)影響,計算比較復(fù)雜。在翅片管換熱器優(yōu)化設(shè)計中,要確定換熱器的換熱性能,則要先計算翅片效率,在析濕工況下,若以溫差為驅(qū)動力的干工況翅片效率計算公式[1]計算濕翅片效率,則會產(chǎn)生較大誤差。目前,關(guān)于濕翅片效率的計算模型較多,其中得到廣泛應(yīng)用的有Wang et al[2]基于圓肋片,建立并求解了全濕工況下翅片表面?zhèn)鳠峥刂莆⒎址匠?得出了全濕工況下的翅片效率計算公式; McQuiston與Paker[3]在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上簡化了析濕工況下翅片換熱控制方程,并推導(dǎo)出圓肋翅片翅片效率計算公式; Liang et al[4]分析了以前濕翅片效率的計算公式的誤差源,并開發(fā)了更為準(zhǔn)確的全濕工況翅片效率計算公式,但對部分濕工況不適用,馬小魁[5]在Liang et al[4]的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了傳熱控制方程,使其可以描述部分濕工況,并推導(dǎo)得到適應(yīng)部分濕工況的翅片效率計算公式。上述翅片效率計算公式形式都很復(fù)雜且都需要迭代運算才能確定,且在不同工況下其計算精度不同,所以了解各種濕翅片效率計算公式的來歷及應(yīng)用場合,并清楚其中的影響因數(shù),對工程設(shè)計及實驗數(shù)據(jù)分析相當(dāng)重要。
    1　翅片效率模型
    目前,翅片效率主要采用等面積圓法進(jìn)行分析,如圖1所示,并為了建立換熱器翅片傳熱控制方程,作如下假設(shè):
    a·空氣來流均勻;
    b·忽略翅片基部與管壁的接觸熱阻;
    c·忽略水膜熱阻,假設(shè)水膜溫度與翅片表面溫度一致;
    d·翅片厚度均勻一致,導(dǎo)熱系數(shù)在整個翅片表面不變。
    根據(jù)上面假設(shè), McQuiston與Paker[3], Wang etal[2], Liang et al[4],馬小魁[5]等分別建立了翅片傳熱控制方程。其方程形式基本一樣,其中馬小魁[5]所列出的控制方程式,區(qū)分了干工況、部分濕工況與全濕工況,因此從該方程求解出來的溫度分布更接近實際。

               
    根據(jù)各自的控制方程,他們分別求出了翅片表面溫度分布式,并代入翅片效率定義式,得到了各自翅片效率計算公式,如下:

    2　計算模型分析選擇
    圖2為在給定幾何尺寸、表面對流換熱系數(shù)、空氣入口干球溫度及翅片基部溫度的條件下,五種翅片效率模型(干工況采用Schmidt公式[1])計算值隨空氣來流相對濕度的變化。

            
    從圖中可以看出,在片基溫度Tfb=7℃,空氣來流干球溫度Ta=27℃的條件下,隨著空氣來流相對濕度的變化,翅片效率分為三段:
    (1)當(dāng)空氣來流相對濕度RH=0%~30%時,翅片表面溫度高于空氣來流露點溫度,翅片表面不結(jié)露,即干工況,翅片效率公式統(tǒng)一使用公認(rèn)的Schmidt公式[1];
    (2)當(dāng)空氣來流相對濕度RH=30%~40%時,翅片貼片基部分表面溫度低于空氣來流露點溫度,該部分結(jié)露,即濕工況,而翅片其他部分表面溫度仍高于來流露點溫度,不產(chǎn)生結(jié)露,為干工況,此時馬小魁[5]模型可以較好地計算翅片效率,也符合相應(yīng)的物理現(xiàn)象,而其他三個模型則產(chǎn)生了翅片效率跳躍現(xiàn)象,不適合計算該工況的翅片效率;
    (3)當(dāng)空氣來流相對濕度RH≥40%時,翅片表面溫度均低于空氣來流露點溫度,整個翅片表面結(jié)露,即全濕工況,在該工況下, Liang et al[4]模型與馬小魁[5]模型計算值一致,與Wang et al[2]模型相差不大,且翅片效率隨著來流相對濕度的增大變化不大,即進(jìn)入全濕工況后,翅片效率對來流相對濕度不敏感;但McQuiston[3]翅片效率模型計算值卻隨來流相對濕度的增大而減小。兩種結(jié)果之間的矛盾在國際上一直存在爭論,馬小魁[5]認(rèn)為Mc-Quiston[3]得到的結(jié)果是因為假設(shè)C為常數(shù),但在緊貼翅片表面的空氣溫度不是常數(shù),因此產(chǎn)生了方程條件約簡誤差, Hong和Webb[6]同樣是基于C為常數(shù)的假設(shè),得到了與McQuiston[3]相同的結(jié)果?？墒荅lmahdy和Biggs[7]假設(shè)C = a + bTf的條件下,也得到了與McQuiston[3]一樣的結(jié)果。
    Kandlikar[8]再次推導(dǎo)了Elmahdy和Biggs[7]的控制微分方程后認(rèn)為:全濕工況下翅片效率與來流相對濕度無關(guān), Elmahdy和Biggs[7]得到全濕工況下翅片效率與來流相對濕度有關(guān)的結(jié)論是由于在其所給的邊界條件下,翅片處于部分濕工況。Liang etal[4]的二維數(shù)值分析結(jié)果及馬小魁[5]的分析結(jié)果也顯示全濕工況下翅片效率與來流相對濕度無關(guān)。Lin[9]通過可視化實驗得到與Liang et al[4]一致的結(jié)果。因此,可以認(rèn)為,全濕工況下翅片效率與來流相對濕度無關(guān), Liang et al[4]與馬小魁[5]翅片效率計算模型均適合于該工況。
    圖3為給定幾何尺寸、表面對流換熱系數(shù)及空氣來流狀態(tài)的條件下, 5種翅片效率計算模型計算值隨翅片基部溫的變化。從圖中可以看出,翅片效率隨翅片基部溫的變化也分為全濕、部分濕與全干三個區(qū)域。
    在全濕工況下, Liang et al[4]翅片效率計算值隨片基溫度的升高而略有減小,這與隨著片基溫度的升高,翅片表面的凝結(jié)水膜厚度變薄,水膜熱阻變小,換熱加強,表面溫度梯度增大物理現(xiàn)象符合; McQuiston[3]翅片效率計算值與Liang et al[4]相反,且不區(qū)分部分濕工況,與物理現(xiàn)象不符合。因此,在全濕工況下,應(yīng)采用Liang et al[4]模型。
    在部分濕工況下, Liang et al[4]模型與Wang etal[2]模型在片基溫度為15℃時計算值產(chǎn)生突變,不能區(qū)分該工況;馬小魁[5]模型的計算值在片基溫度為12~16℃之間時,隨片基溫度升高而增加,這符合部分濕工況下,隨著水溫的增加,翅片表面干濕分界線逐漸向翅片基部收縮,翅片表面相變傳熱面積逐漸減少,傳熱被弱化,濕工況換熱量比干工況高40%[10],翅片表面的溫度梯度逐漸減小的物理現(xiàn)象。可以認(rèn)為,在部分濕工況下,翅片效率對翅片基部溫度敏感,在該工況下,采用馬小魁[5]模型較為合適。

             
    3　結(jié)論
    (1)全濕工況下,翅片效率對片基溫度與來流相對濕度不敏感,翅片效率隨片基溫度的上升及來流相對濕度的增加而稍微減小。
    (2)部分濕工況下,翅片效率對片基溫度與來流相對濕度十分敏感,翅片效率隨片基溫度的上升及來流相對濕度的增加而迅速增加。
    (3)翅片效率模型均有工況的適應(yīng)性,翅片效率計算應(yīng)區(qū)分干、部分濕、全濕工況,并根據(jù)工況選用相應(yīng)計算模型。
    參考文獻(xiàn)：略