小型叠板式换热器传热与流阻特性实验.pdf

44 8 化 工 进 展 C H E M IC A L IN D U S T R Y A N D E N G IN E E R IN G P R O G R E S S 小型叠板式换热器传热与流阻特性实验 潘 亮 潘敏强 吴磊 汤 勇 华 南理 T 人学机械1 程学院 东 广 州 510640 摘要 研究了一种小型叠板式换热器 它由多块紫铜薄板叠合而成 薄板表面加工有 2 个分布腔和微通道阵列 微通道采用精密铣削加工 通过实验研究不同流速下微通道深度 分布腔形状以及换热器放置方式对传热 流阻 和综合性能的影响 结果表明 传热体积是决定单位体积传热系数大小的首要 因素 在传热体积相等情况下 单 位体积抉热面积是决定单位体积传热系数大小的主要因素 在 3 种影响因素中 微通道深度对换热性能影响较大 微通道深度为 1 m m 的换热器传热性能比深度为 2 m m 的提 高了30 6O 换热器放置方式对流阻和综合性能 影响较大 换热器入口放置在下端时压力损失比放置在上端时下降约 26 综合性能则提高了约 30 关键词 叠板式换热器 流阻特性 传热特性 单位体积传热面积 中图分类号 TK 172 文献标识码 A 文 章编 号 1000 6613 2008 03 0448 06 E xp e ri m e n ta l i n v e sti g ati o n o n h e a t tra n sfer a n d flo w resi stan c e o f m i n i a tu re l a m i n ate p l a te h ea t ex c h an g e r PA NL i ang PA NM i nq i a ng W U L ei TA N G Yong Sc h oo l of M ec h ani c al E ng i n eeri n g So uth C hi n a U n i versi ty o f T ec hn ol ogy G uan gzh ou 5 106 40 G uan gdo n g C hi n a A bstrac ts A m i n i ature l am i nate p l ate h eat exc hang er w as dev el oped T he heat exc hanger i nc l uded m ul ti pl e red c opp er pl ates w i th tw o d i stri buti on c ham bers and m i c roc hannel array on the surfac e M i c roc h ann el s w ere m ac hi ned by prec i se m i l l i ng T he i nfluenc es o f m i c roc hannel depth c ham ber shape an d the ori entati on of heat exc hanger on the heat tran sfer flow resi stan c e an d c om prehensi v e perform anc e of h eat exc h anger w ere i nvesti gated by experi m ents T he resu l t i n di c ated th at the m agni tude of h eat transfer v ol um e d om i nated the m ag ni tu de of h eat tran sfer c oeffi c i ent per uni t v ol um e and the m agn i tude of heat transfer area per uni t v ol um e determ i ned the m agni tude of h eat transfer c oeffi c i ent p er un i t vol um e w i th th e sam e m agn i tude of h eat tran sfer vol um e T he m i c roc han nel d epth show ed m ore i nfluenc e on the h eat transfer performanc e and th e heat tran sfer performanc e of h eat exc hanger w i th 1 m m deep m i c roc han nel s w as i m prov ed by ab out 30 60 than th at of the h eat exc hanger w i th 2 m m deep m i c roc hannel s T he ori en tati on of heat ex c hanger greatl y i nfluenc ed flow resi stanc e and c om prehensi v e p erformanc e P ressure drop dec reased by about 26 and th e c om prehensi ve performanc e w as i m proved by abo ut 30 w hen the i n l et o f th e h eat exc hanger w as pl ac ed bel ow K ey w ord s l am i nate pl ate heat ex c h ang er fl ow resi stanc e performan c e h eat tran sfer performanc e heat transfer area per un i t vo l um e 换热器 J J是指用于固体壁面两侧流体间进行热 量传递的一种设备 一 般有管壳式 叠板式 板翅 式和蛇管式等 多种结构 微型或小型换热器为了实 现在有 限空间内高效传热 一般采用叠板式结构 通过微加工技术在金属薄板表面加工出多条平行微 通道 然后将多片微通道薄板层叠在一起 经焊接 或其它紧 矗 7方式连接成 一 个整体 收稿日期 2007 10 11 修改稿 日期 2007 11 2 1 基金项 目 家自然科学基金重点项 同 50436010 第一作者简介 潘亮 1984一 硕 士研究生 电话 020 87114634 E m ai l Pl i ang01 15 163 c orn 联系人 汤刃 教授 博士生 Jl j 研究力向为热功能表 结构 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 潘亮等 小 替板式换热器传热与流阻特性文验 449 大尺度叠板式换热器 般采用冲爪加工 出具有 波纹结构的换热薄板 微型叠板式换热器中薄板表 面微通道则采用 LIGA 技术 化学腐蚀 2J 微绌牛 削 J和铣削 4J技术等方法加工 小型叠扳式换热器 尺度介于大尺度和微 叠板式换热器之问 其外观 尺 寸具有传统换热器的尺度 层香薄板之间则通过 表 面微通道实现热量交换 大尺度番板式换热器的研究理论相对成熟 日 前叠板式换热器的研究主要集L卜 I在微型换热器 小 叠板式换热器的研究则相对较少 Ehrfel d 等 J设 计了一种微型叠板式换热器 堆叠薄板采用方形铜 片 大小为 20 m m x20 m m 厚度在 20 500 lam 铜 板中央形成有 300 1 tm 宽的流体微通道 每块番板的 传热面积达 140 m m 2 H enni ng 等 J研究了一种薄片 堆叠结构的电加热微换热器 主要由 6 个微通道金 属溥片和 2 块盖极组成 每块薄片 I 仃 103 条微通 道 长度为 54 m m 姜培学等 5 61对微槽式换热器进 行了实验研究 换热器山 30 片厚度为 0 7 m m 的紫 铜薄片层叠而成 每片铜片 J 含有 38 条 21 m m 长的 微槽道 换热器单位体积内换热面积为 2895 m m 本文作者主要研究 种小型替板式换热器 它 山多块紫铜薄板叠合而成 薄扳表面加工有 2 个分 布腔和微通道阵列 微通道通过精密铣削加工 通 过实验研究不同流速下微通道深度 分布腔形状以 及换热器放置方式对传热和流阻性能的影响 1 小型叠板式换热器结构 小 叠极式换热器卞要 由2 块盖板和数片薄板 叠合而成 薄板表面加工有 2 个分布腔和微通道阵 列 如图 1 所示 分布腔的作用是增强流休在微通 道阵列流动的均匀性 实验中研究 2 种不唰分布腔 形状对换热器传热和流阻的影响 其中一种是直角 分布腔 另外 一 种是斜角分布腔 分别如图 1 a 和 b 所示 薄板采用 85 m m 宽的方形紫铜板 薄板上微通 道采用精密铣削加工 每块板上共有 50 条微通道 长 35 m m 宽 0 24 m m 为了研究微通道深度对换 热器性能的影响 实验中采用 2 m m 和 3 m m 2 种不 同厚度的薄板 在两者 的表面所加工的微通道深度 分别是 1 m m 和 2 m m 均采用直角分布腔结构 整个换热器 由 2 种具有对称分布腔的微通道薄 板交替替合组成 形成并联通道 如图 2 a 所示 其中一条用作热流体通道 另外一条用作冷流体通 道 2 种流体存叠板问交错流动 实现流体问的换热 图 2 薄板层替关系及叠板式换热器 由于叠板式换热器采用并联流道 冈此何 2 种 放置方式 如图 3 所示 种是入 n 在 端向出 口 在下端 另外一种是入 口 下端而出 在 端 实 验中将研究这 2 种放 置方式对换热器性能的影响 入 小 I I 入 a 入l I在上端 山I I在 r端 b 入I I在 r 端 出I I在 I 端 罔 3 叠板式换热器 种放 方式 2 测试装置和评价指标 2 1 测试装置 实验中主要研究不l刮流速下微通道深度 分布 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 450 化 工 进 展 2008 年第 27 卷 腔形状 以及换热器放置方式对换热器传热和流阻性 能的影响 换热器性 能测试系统如图 4 所示 主要 由 3 部分组成 分别是冷水供应回路 热水供应回 路和温度采集系统 冷水供应 回路采用 自来水作为 工质 开式循环以确保冷水进 口温度的稳定 热水 供应回路则采用 闭式循环 实验过程中通过温度控制器确保热水温度的稳 定 并使得各种换热情况冷水和热水入 口温度相 一 致 冷水和热水流量要相等 流量范围在 20 80 m L m i n 所对 应 的 流体 入 口速 度 在 0 0l 0 05 m L m i n 冷 热水的温度采用 K 型热 电偶测量 为 了减小钡 0量误差温度 测量点尽量靠近换热器的入 出口 压力 则通过 U 形管压力计直接测量入出 口之间的压差来进行换算 s 十 l 刊 一 2 2 评价指标 叠板式换热器传热和流阻性能分别通过单位体 积传热系数 和冷流体之问的压降 来评价 综 合性能则通过两者之 比 来评价 其计算方 法为 K Q 1 式中 V 为换热器总传热体积 为逆流方式 的对数平均温差 其计算方法为 二 互 二 二 互 2 T In 一 式中 i 和 分别为热流体入口和 出口温度 i和 分别为冷流体入 口和 出口温度 为对数平均温差的修正系数 其取值方法可 参考文献 7 8 Q 为冷热水之间的换热总量 考 虑到热损失 计算过程采用冷水升温过 所吸收热 量 即 Q qmC 一 3 式中 g 和 分别为冷流体的质量流量和定 压摩尔比热容 3 结果与分析 3 1不确定度和热平衡分析 实验过程中直接测量的物理量有 冷 热水入 出口温度和冷水入 出口的压力 间接测量的物理量 有 和 Q 对各测量的物理量不确定度的计算 以 及热平衡分析如下 1 温差的不确定度实验过程 中采用 K 型 热电偶测量冷 热水的温度 K 型热电偶 的精度为 0 1 实验中冷水温差大于或等于 21 2 而实 验中 24 7 则 U a T 0 5 4 U A T O 5 5 丁 2 冷水吸收热量 Q的不确定度 实验 中冷 水吸收热量是通过流体质量流量以及冷水温差问接 计算得到 流体质量流量采用转 予流量计测量 流量计的精度为 l m L m i n 流量范围在 20 80 m L m i n 冷流体质量流量的不确定度为 5 6 q 所以 p 的不确定度为 Q Q 5 O2 7 3 K v 的不确定度 是通过 Q 和 间接 计算得到 所 以 的不确定度为 U K v 一 4 热平衡分析换热器在换热过程中 通过 计算热水放 出热量 和冷水吸收热量 Q 来进行热 平衡分析 所得到的热损失率 卵为 里 21 9 较大的热损失是因为在实验过程中没有采用隔 温装置 采用隔温装置后将有效地降低热损失率 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 潘亮等 小型叠板式换热器传热与流阻特性实验 451 3 2微通道深度对换热器性能的影响 图 5 是当冷热水流量近似相等时微通道深度 对换热 器在 不同流速下传热性 能的影 响 由图 5 可知 2 种换热器的 随着流速 v 的增加而增加 那是因为随着流速 v 的增加 冷热水之间的换热量 增加 导致 的增加 另一方面 微通道深度较 小的换热器 较大 但这并不能说明 随着微 通道深度的减 小而增大 那是因为微通道薄板包含 2 个分布腔和微通道 随着微通道深度发生变化 2 个分布腔的深度也 同时发生变化 导致微通道薄 板传热面积发生改变 本实验 中采用 2 种不同厚度 的薄板加工 中 2 种不同深度微通道 微通道深度为 l m m 和 2 m m 换热器单位体积传热面积大小分 别为 480 m m 和 49l m m 而传热体积大小分 别是 1 45x 10 m 和 2 17 l 0 m 实验中微通道 深度为 1 m m 的换热器传热性能更优 在所考察流 速范罔内 微通道深度 为 l m m比深度为 2 m m 的 换热器传热性能提高 了 30 60 说 明单位体 积传热面积的大小并不是影响单位体积传热 系数 的首要因素 传热体积 V 的大小是决定单位体积 传热系数大小的主要 因素 m S 图5微通道深度对单位体积传热系数 的影响 微通道深度对换热器 的流动 阻力特 性如图 6 所示 结果表明 换热器压力损失 p 随着流速 v 的增大而增大 当流速较小时 两种换热器的压力 损失相差较小 随着流速的增大 深度为 l m m 的 换热器压力损失比 2 m m 深的换热器大 20 左右 这是因为在微通道 宽度一定的情况下 微通道深度 越小 微通道的当量直径越小 导致换热器压力损 失越大 图 7 是 2 种不 同微通道深 度 的换热 器综合 性 能 的比较 可 见 微通道 深度 为 l m m 的换热 器综 合 性 能 比深 度 为 2 m m的换 热 器 提 高 约 20 v m S 6 微通道深度对压降的影响 图7微通道深度对综合性能的影响 3 3分布腔形状对换热器性能的影响 实验中考察了在 同样微通道深度和薄板厚度情 况下 不同分布腔形状对换热器传热性能的影响 如图 8 所示 由图 8 可知 存所考察的流速范罔内 斜角分布腔式换热器单位体积换热系数 比直角分布 腔式的提高约 8 5 由1 2 种分布腔均在同样厚度 的薄板上加工而成 其传热体积大小相等 但斜角 和直角分布 腔式换热器单位体积传热面积分别 为 502 m m 和 480 m m 山此可见 在相同传热体 积情况下 单位体积 内换热面积的大小是影响换热 器单位体积传热性能的关键因素 图 9 是 2 种不同分布腔换热器存一 定流速下对 v m S 图8 分布腔形状对单位体积传热系数 K v 的影响 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 452 2008 年第 27 卷 压降的影响 结果表明 当流速较小时两者压力损 失 相差较小 随着流速的增大 两者 力损失差 距逐渐增大 斜角分布腔式换热器的压力损失比直 角度分布腔式大 5 左右 这是因为流体在斜角分布 腔进入微通道时 由于流道的急剧变化 产生边界 层分离 导致漩涡 从而造成较大的局部阻力损失 局部阻力损失随着流速的增大 而增大 而流体在直 角分布腔内流动相对平缓 局部阻力损失较小 IT I S 图 9 分布腔形状对 爪降的影响 斜角和 直角分布腔 式换热器 的综合性能如图 10 所示 从总体j 来说 斜角分布腔式换热器综合 性能比直角分布腔式换热器提高约 5 图 10分布腔对综合性能的影响 3 4放置方式对换热器性能的影响 换热器采用直角分布腔和 2 m m 厚度的换热板 时 实验考察 了换热器放置方式埘其换热和流阻性 能的影响 图 11 为 2 种不咧放置方式下换热器 随流速 的变化关系 从图 11 可 以发现 换热器放 置方式对 的影响不大 两者 的值很接近 随着 流速 的增大 两者之间 K v 值逐渐增大 换热器 入口放置在上端时的传热性能稍比放置在下端时大 10 左右 这可能是 由于入 口放置在下端时 水从 下端流动到 匕 端的过程需要克服重力做功 带走了 0 0 l 0 0 2 0 0 3 0 04 O 0 5 v m s 图 11 换热器放 方式对单位体积传热系数 v 的影响 其中一小部分热量 换热器放置方式对流动 阻力特 性的影u向如图 12 所示 结果表明 换热器入口放置在下端时的 力损 失比入 r 放置在上端时下降约 26 这可能是 由f 入 口放置存一 端时由 f 重力的作用导致流体流 动速度大 于入 口放置 下端的状态 引起相应的局 部阻力和沿程阻力的增大 12 0 0 l 10 0 1 00 0 9 00 80 0 7 0 0 6 0 0 50 0 4 00 30 0 v m S l 12 换热器放霄方式对压降的影响 图 13 是同一种换热器 同放置方式对其综合 性能的影响 从 13 可知 换热器入 口放置在下端 时综合性能比放置 j一 端时提高约 30 冈 13换热器放置方式对综合性能的影响 下转第 456 页 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 456 化 工 进 展 2008 年第 27 卷 逆反应频率因子 m kg c at h 反应物中异丁烯的物质的量浓度 m ol L 反应物异丁烯的初始物质的量浓度 m ol L 反应物中 ET B E 的物质的量浓度 m ol L F 反应 活化能 J to ol 逆 反应 活化能 J m ol 进料中异丁烯 摩尔流率 m ol h F 反应速率常数 i l l kg c at hJ 逆 反应速 率常数 i n kg c at h 气体常数 反应速率 in ol kg c at h 温度 K 催化剂质量与进料量体积之比 kg h m 异丁烯 转化率 参考文献 1 赵听 沈健 焦宏宇 氡氟酸改性 u sY 分子筛催化合成乙基叔 r 基醚的研究rJJ 工业催化 2006 14 10 25 27 2 l l 延明 成梅竹 刘宏伟 等 8042一 ZrO2吲体超强酸的制备及其 催化合成 E TB E 的研究fJ1 石油炼制 与化工 2006 37 8 12 15 3 Si l vi a S F Joerg L M atthi as G et a1 Ethyl tert butyl ether m anufac ture from tec hni c al m i xtures of C 4一 hydroc arbon stream s C anada C A 2572 146 P1 2007 06 28 4 张瑞生 宋宏 张家庭 乙基叔 J 基醚合成反应动力学 JJ 化工 5 6 7 8 9 1O 12 13 学报 l 998 49 3 282 287 E van s J F R i gb y G W T h e rea c ti v i ty o f ato m s an d gro up s Xl I the prep aratio n a nd pro pe ti es o f m i x ed a l i ph ati c eth ers w i th s pec i al referenc e to those c ontai ni ng the tert butyl radi c al J1 A m S oc l 9 36 54 20 8 8 2 l OO 余少兵 李永红 陈洪钫 ET B E p 分子筛反应动力学 JJ 化学反 应工程 与工艺 2003 19 2 97 1O2 1b o rra M l z qu i erd o J F C u n i l l F et a1 A p p l i c a ti on o f th e respo n se su rfac e m eth o do l o gy to th e k i n eti c stud y o f th e g as p h ase a d di tio n o f ethanol to i sobuteneona sul fonated styrene di vi nyl benzene resi n J 1n d E ng C h e m R es 19 92 3 l 18 4 0一 l 84 8 S c h w arz er S H o rst C K u nz U et a 1 R e v i sio n of m i c ro k i neti c ap p ro ac h es to th e li qu i d p h ase syn th esi s o f eth y l tert b u ty l E th er ET B E J Chem E ng Tec hnol 2000 23 5 4 l 7 421 C ari es F M on tserrat I Jav i er T et a 1 K in etic s o f th e l i qu i d Db ase synthesi s of ethyl l eft butyl ether ET B E J Jl Indus tri al Eng i neeri ng C h em is try R ese a rc h l 99 4 3 3 f3 5 8 5 9 1 S o l a L P e ri c as M A C u n i l l F et al T h erm o dy n am i c an d k in etec stud i es o f th e l i qu i d ph ase sy nthe si s o f tert b u ty l eth y l eth er u si n g a reac tion c al ori m eter J 1nd Eng C hem R es l 995 34 37 l 8 3725 王华军 吴汀 杨们伦 乙基叔 J 基醚合成催化剂的研究进展 JJ 现代 化工 2005 25 7 22 26 D ani el G Jobson M C onc eptual desi gn of equi l i bri um reac tor reac ti ve di sti l l ati on fl ow sheets J Industri al Eng i neeri ng C he m i stryR esea rc h 20 0 7 4 6f2 55 9 5 7 0 Z m u d zi n ski W S o b c zy n ski A K i n eti c s of E T B E c atal y ti c sy nth e si s i n a three phase reac tor J Journal D App l i ed Chem i stry 2002 4 6r I1 I I 19 移 移 移 彩 Y z72 上接第 452 页 4 结 论 从微通道深度 分布腔形状和换热器放置方式 这 3 种因素对换热器传热和流阻性能的影响来看 传热体 积是决 定单位体积传热 系数大小 的首要 因 素 在传热体积相等情况下 单位体积换热面积是 决定单位 体积传热系数大小的主要因素 其中 微 通道深度对换热器单位体积换热系数影响较大 微 通道深度为 1 m m 的换热器传热性能比深度为2 m m 的提高了 30 60 从 3 个因素对压 降影响的角度来看 换热器放 置方式对压降的影响较大 换热器入 口放置在下端 时压力损失比放置在上端时下降约 26 这是山于 放置方式导致流体速度发生了较大改变