套片式油冷器传热性能的研究

套片式油冷器传热性能的研究 梁帅 江楠 曾纪成 1 华南理工大学 化工机械与安全工程研究所 广东 广州5 1 0 6 4 0 2 广东顺德盈威机械制造有 限公司 广东 佛山5 2 8 3 0 0 摘要 通过数值模拟和试验的方法对套片式油冷器传热和综合性能进行 了研究 用 F l u e n t 软件模 拟得到了两套片间单通流道内壳程流体的速度场 温度场和压力场的分布 通过试验研究得到了套 片式油冷器传热和阻力性能曲线 拟合出了套片式油冷器管外膜传热系数和压降公式 并且和传 统经验公式进行 了比较与分析 关键词 油冷器 数值模拟 流场分析 试验研 究 中图分类号 T H 4 9 T Q 0 5 1 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 0 7 0 0 2 4 0 6 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 0 7 0 0 5 S t u d y o f He a t Tr a n s f e r i n a P l a t e Fi n a n d t u b e Oi l Co o l e r L I ANG S h u a i J I ANG Na n ZENG J i c h e n g 1 I n s t i t u t e o f C h e mi c a l Ma c h i n e r y a n d P r o c e s s E q u i p m e n t S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 Ch i n a 2 Yi ng W a y Ma c hi ne ry Ma nu f a c t urin g Co L t d S h u n d e Gu a n g d o n g F o s h an 5 2 8 3 0 0 C h i n a Ab s t r a c t He a t t r an s f e r an d c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e o f a p l a t e fi n a n d t u b e o i l c o o l e r w e re i n v e s t i g a t e d n u me ri c a l l y a n d e x p e ri me n t a l l y Di s t r i b u t i o n s o f v e l o c i t y t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e fi e l d i n a s i n g l e fl o w c h an n e l b e t w e e n t wo p l a t e s w e r e s i mu l a t e d w i t h t h e fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e F l u e n t C u r v e s r e g a r d i n g t h e h e a t t I a n s e r an d fl o w r e s i s t a n c e w e r e e x p e rime n t a l l y o b t a i n e d T h e f o r mu l a s o f h e a t n a n s f le r c o e ff i c i e n t an d p r e s s ure d r o p we r e fit t e d b a s e d o n t he me a s u r e d d a t a an d c o mpa r e d wi th t h e t r a d i t i o n al e mp i r i c al f o r mu a s Ke y wo r d s o i l c o o l e r n u me ri c al s i mu l a t i o n fl o w fi e l d analy s i s e x p e rime n t al s t u d y 0引言 套片式换热器是管翅式换热器的一种 在空 调工程和制冷工程 中应用非 常广泛 如空调工程 中使用的表面式空气加热器 空气冷却器 风机盘 管等 这种情况下空气通常走壳程 套片扩大了 换热面积 有效地增大了传热系数 由于套片 式换热器结构紧凑 与相同换热面积的其他换热 器相比 其体积更小 重量更轻 目前 国内外有很多套片式换热器在空冷方 面研究的文献 J 研究的重点有理论计算 数值 模拟 试验研究等多个方面 为套片式换热器的设 计与优化提供了很多资料 R i c a r d o等 对单排 管翅片间的空气进行了三维数值模拟 得到了翅 片间距对流动和传热性能的影响 并通过可视化 第 3 O卷第 7期 压 力 容 器 总第 2 4 8期 平衡 计算 如果热平衡数 7 在 1 0 之内 则认为试验数据有效 若超出此范围 则认为该试 验数据不可靠 需重新进行测试口 油放热量 Q 和水 的吸热量 Q 按下式计算 Q C G 一 Q C G t 2 一t 1 式中c P JI 油 水的比热 J k g G 油 水 的质量流量 k g s 油的进 出口温度 t l t 2 水的进 出口温度 1 油冷器 2 油箱 3 恒 温机 4 冷水 塔 5 水 油泵 6 流量 计 7 截止阀 8 温度传感器 9 压力传感器 1 0 加热器 图 8 试验流程图 试验总传热系数 的计算式为 K 式中Q 取油侧放热量 W 管外表 面积 m 修正后的对数平均温差 试验通过变频器调节油和水的流量得到不同 工况下的性能 对试验数据进行整理 做 出操作条 件下热交换量 压降 总传热系数以及单位压降下 传热系数随油流量变化的曲线图 见图9 1 3 2 3 准则关 系式拟合 以管外为基准 套片式换热器传热系数可以 按照热阻的形式进行计算 去 鲁 r p8 d 1 卢 鲁 上 叩 a 叼 式中 以管外为基准的总传热系数 W m o C 翅化比 a 管内 外膜传热系数 w m o C r r 管内 外侧污垢热阻 II l2 w 厂翅片管 基管的管壁厚度 m A A 广翅片管 基管的导热系数 W m d d 基 管的内 外径 m r 基管与翅片管间的接触热阻 m o C W 7 翅片壁面总效率 面 蝼 簇 盘 幽 图9 热交换量与油流量的关系曲线 图 1 0 壳程压降与油流量的关系曲线 2 7 C P lV T 套片式油冷器传热性能的研究 V o l 3 O N o 7 2 0 1 3 宣 1 蕞 蹈 图 l l 总传热系数与油流量的关系曲线 1 2 O 油 流量 L mi n 一 图 l 2 单位压降下总传热系数与油流量的关系曲线 H 昌 蕞 1 O0 2 8 l 2 O 油 流量 L rai n 图 1 3 总传热系数与油流量的关系 通过对试验数据进行处理 利用 O ri g i n软件 拟合 出了壳程 Nu准数和阻力 因子的准则关系式 如下 0 7 3 4 5 R e o P r 1 5 5 5 0 5 f 7 6 0 5 2 R e 1 5 5 胁 5 0 5 经过计算 N u最大误差不超过 4 6 阻力 因子 的计算误差不超过 5 1 2 4 试验结果分析 从图 9中可以看出 随着油和水流量 的增加 系统热交换量不断地增 大 经计算 试验中油冷 器传热面积达到 6 5 7 5 m 和同体积传统形式油 冷器相比 传热面积大很多 并且等间距套片能够 引导油均匀流动 使高温油和套片充分接触进行 换热 故换热量大 从图 1 0中可以看出 随着油流量 的增加 壳 程压降不断上升 当油流量达到 2 0 0 L m i n时 壳程压降达到9 9 1 k P a 很快接近壳程压降不得 超过 1 0 0 k P a的行业标准 油流量小而压降快速 达到标准上限 分析原 因 试验油冷器折流板间距 和壳体内径接近 考虑两折流板之间流体流动 并 结合模拟分析可知 套片间距中主流区域流体速 度较大 换热管迎风面处流体速度梯度变化大 阻 力损失大 再加上液压油粘度高 流动摩擦系数 大 阻力损失基数大 故当油流量增大时压降能很 快上升到达压降上限 另外 经计算壳程通流面积 与进 出油 口横截面 折流板切 口区面积之 比分别 为 4和 5 在这些 区域 由于流通 面积突变 流体 速度梯度变化大 会额外增大阻力损失 最后考 虑到测试系统本身油进出口处由橡胶软管连接 对压降也会有一定的影响 从图 1 1中可 以看出 根据热平衡方程 测得 温度数据以及换热面积 计算出套片式油冷器的 总传热系数 油冷器在 4 0 2 0 0 L m i n范围内 套片式油冷器的传热系数在 1 2 0 3 8 0 W m K 之间 可以看出试验油冷器传热系数不是很 高 故可以考虑通过优化套片结构 改变间距等来 提高套片式油冷器的传热系数 提高换热效率 从图 1 2中可 以看 出 随着油流量 的增加 单 位压降下总传热系数曲线逐渐下降 综合性能变 化规律与其他形式结构的换热器相同 从图 1 3中可以看出 采用 B r i g g s 法 拟合法 以及试验值计算法得到的总传热系数都随着油流 量的增加而变大 在油流量 小于 1 1 0 L m i n时 9 6 3 I 霰 避 廿 第 3 0卷第 7期 压 力 容 器 总第 2 4 8期 B r i g g s法计 算值 比试 验值 小 误 差最 大值 为 1 7 3 而随着油流量的增加 B r i g g s 法计算值 比试验值大 最大误差 为 2 0 9 而且 油流量大 于2 0 0 L m i n时 按曲线的趋势 B r i g g s 法计算值 将会 比试验值更大 误差也更大 试验条件下拟 合计算值与试验计算值相比 随着油流量增加 拟 合计算值和试验计算值越来越接近 在工作油流 量下 最大误 差不超过 1 4 平 均误差 为 5 6 分析原因 由于 B r i g g s 法壳程以气体为介质 虽然 都采用套片结构形式 气体和液体都有相似的流 动规律 但是 由于粘度差异很大 会对换热性能有 很大的影响 故 B r ig g s 法不适用于套片式油冷器 计算 且经计算 B r i g g s 法计算出的壳程压降和实 测压降相差很大 3结论 1 利用 F l u e n t 软件模拟 了两套片之 间壳程 流体流动过程传热情况 得到了在人口速度为0 5 m s 时壳程流体温度 速度 压力的分布情况 可 以看出 套片间壳程流体温度和速度分布比较均 匀 换热 比较充分 2 通过试验得到了一种套片式油冷器的传 热情况 随着油流量的增加 套片式油冷器换热量 逐渐增大 壳程压降增大 传热系数也增大 但换 热量大的同时壳程压降也很大 而且总传热系数 与其他低翅片管型式油冷器相比要低 这正好体 现了套片式油冷器结构紧凑 换热面积大的优势 故套片式油冷器应尽量在小流量范围内使用 3 根据试验数据 拟合出了试验中套片式 油冷器在操作条件下壳程 N u准数和阻力因子的 准则关 系式 N u最大误差不超过 4 6 阻力 因 子最大误差不超过 5 1 4 采用 B r i g g s 法计算叠片式油冷器的总传 热系数和压降 发现 B r i g g s 法计算值与试验值相 差较大 在试验流量下总传热系数最大误差达到 2 0 9 压降则相差更大 故套片式油冷器在设 计计算时 B r i g g s 法不适用 只能作为一种参考 参考文献 1 钱颂文 换热器设计手册 M 北京 化学工业出版 社 2 0 0 2 2 美 w M 凯斯 A L 伦敦 紧凑式换热器 M 宣 益民 张后雷 译 北京 科学出版社 1 9 9 7 3 康海军 李斌 李惠珍 等 平直翅片管换热器传热 与阻力特性 的实验研究 J 西安交通大学学报 1 9 9 4 2 8 1 9 1 9 8 4 夏清 陈常贵 化工原理 上册 M 天津 天津大 学 出版社 2 0 0 6 5 尾花英朗 热交换器设计手册 M 北京 石油工业 出版社 1 9 8 1 6 J A N G J i i n y u h WU Mu c h e n g C H A N G We n j e n g N u me ri c a l a n d E x p e r i me n t a l S t u d i e s o f T h r e e d i me n s i o n a l P l a t e fi n and T u b e He a t Ex c h ang e r s J I n t e rna t i o n al J o u rnal of H e a t a n d Ma s s T r a n s f e r 1 9 9 6 3 9 1 4 3 0 5 7 3 0 6 6 7 李淑英 王忠建 张杨 多股流换热器的通道分配设 计方法 J 流体机械 2 0 1 1 3 9 1 1 4 5 4 9 8 赵展 金苏敏 基于管排组合的分离式热管换热器 的数值模拟 J 流体机械 2 0 1 1 3 9 7 8 3 8 6 6 7 9 R i c a r d o R M Mi h i r S e n Y ang K T e t a1 E ff e c t of F i n S p a c i n g o n C o n v e c t i o n i n a P l a t e F i n an d T u b e He a t E x c h ang e r J I n t e rna t i o n al J o u r n al o f He a t and M ass T r ans f e r 2 0 0 0 4 3 1 3 9 5 1 1 0 A y t u n c E re k B a ri s O z e r d e m L e v e n t B i l i r e t a1 E ff e c t of G e o me t r i c al P a r a me t e r s o n He a t T r a n s f e ran d P r e s