苑云瀟 張 良 柳建華 張嘉文 劉 旗

(1 上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093；2 空調(diào)國際上海有限公司 上海 200001)

翅片管換熱器作為空氣熱濕處理系統(tǒng)的重要設(shè)備，得到了廣泛應(yīng)用。進入二十一世紀，人類在高海拔地區(qū)活動范圍的拓展以及對城市高空區(qū)域的利用使涉及翅片管換熱器的空氣熱濕處理設(shè)備開始在各種高海拔地區(qū)普及應(yīng)用，極大地拓寬了翅片管換熱器工作環(huán)境的氣壓范圍。

伴隨著環(huán)境氣壓的改變，濕空氣物性和空氣流場結(jié)構(gòu)均會發(fā)生顯著變化：隨著環(huán)境氣壓降低，濕空氣密度線性下降，濕空氣承受水蒸氣的能力增加，濕空氣的汽化潛熱變大。而空氣物性的變化及空氣流場結(jié)構(gòu)的變化會進一步影響翅片管換熱器空氣側(cè)的傳質(zhì)性能，因此研究低環(huán)境氣壓下翅片管換熱器空氣側(cè)的傳質(zhì)特性對于翅片管換熱器在高海拔地區(qū)應(yīng)用范圍的拓展具有重要意義。

目前人們對于換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的研究主要集中在常壓和濕工況下影響參數(shù)的分析以及傳質(zhì)特性預(yù)測模型的建立[1-3]方面，其中對影響參數(shù)的研究主要包括翅片間距[4-6]、換熱器管排數(shù)[7-9]、空氣側(cè)流速[4-5,10-11]及入口空氣相對濕度[12-14]等。而關(guān)于低氣壓環(huán)境下?lián)Q熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的研究較少：Liu Qi等[15]對翅片管換熱器在低環(huán)境氣壓下的傳熱傳質(zhì)特性進行了實驗研究，研究環(huán)境壓力為40～101.3 kPa，討論了環(huán)境壓力的變化對換熱器空氣側(cè)傳熱因子、傳質(zhì)因子及劉易斯因子的影響，結(jié)果表明環(huán)境壓力降低時，傳熱傳質(zhì)性能均下降。Jia Runze等[16]對板翅式換熱器在低環(huán)境氣壓和濕工況環(huán)境下空氣側(cè)傳熱和傳質(zhì)特性進行了性能實驗和模擬，研究氣壓范圍為61～101 kPa，實驗結(jié)果顯示，與常壓相比低氣壓環(huán)境下板翅式換熱器的潛熱和質(zhì)量傳遞過程均明顯減弱，模擬結(jié)果顯示低壓環(huán)境下?lián)Q熱器性能的下降，主要與傳質(zhì)過程中濃度邊界層的劇烈變化有關(guān)。兩者所研究換熱器參數(shù)單一，實驗工況少，對低氣壓下影響參數(shù)的研究不足。因此，有必要研究相關(guān)參數(shù)對低氣壓下翅片管換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的影響，為低氣壓環(huán)境下?lián)Q熱器的設(shè)計以及傳質(zhì)特性預(yù)測模型的建立提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文實驗研究了兩個具有不同翅片間距的翅片管換熱器在不同入口空氣工況下空氣側(cè)傳質(zhì)特性，分析環(huán)境氣壓、迎面風(fēng)速、翅片間距及入口空氣相對濕度對換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)

圖1所示為低氣壓實驗系統(tǒng)，主要包括空氣循環(huán)系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)?？諝庋h(huán)系統(tǒng)主體為一個不銹鋼板構(gòu)造的封閉式循環(huán)風(fēng)道，包括橫截面為外徑377 mm的圓形循環(huán)段以及橫截面為500 mm×500 mm的矩形實驗段，主要功能為：內(nèi)部設(shè)置風(fēng)機為空氣循環(huán)提供動力并調(diào)節(jié)空氣側(cè)流速，采用真空泵和氣壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境氣壓，設(shè)置電加熱器和加濕器調(diào)節(jié)實驗用換熱器空氣側(cè)入口空氣干濕球溫度和相對濕度，設(shè)置傳感器對空氣相關(guān)參數(shù)進行測量采集。水循環(huán)系統(tǒng)主要包括冷水機組、恒溫水箱及水泵，為實驗用換熱器提供一定流量的恒溫冷媒水。

1加濕器；2電加熱器；3真空泵；4進氣閥；5循環(huán)風(fēng)機；6實驗換熱器；7整流孔板；8標準噴嘴；9恒溫水箱；10冷水機組。圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

空氣循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境氣壓的調(diào)節(jié)由真空泵和氣壓調(diào)節(jié)閥協(xié)同控制，利用真空泵將環(huán)境氣壓快速抽至設(shè)定工況氣壓值附近，然后調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)氣壓在設(shè)定工況值的精確控制?？諝饨?jīng)過實驗換熱器后被冷卻除濕，設(shè)置電加熱器和加濕器補償該部分的溫、濕度變化，同時通過電加熱器和加濕器控制調(diào)節(jié)實驗換熱器入口截面處空氣的溫、濕度在工況設(shè)計值，相對濕度的測量精度為±0.8%。為保證換熱器入口處氣流均勻性，在換熱器前設(shè)計孔板對空氣進行整流?？諝鈧?cè)流速采用噴嘴進行測量，測量段包括整流孔板、取壓孔和標準噴嘴，安裝和測試過程符合ASHRAE 41.2標準[17]。

實驗研究的換熱器幾何參數(shù)如表1所示，實驗工況如表2所示。

表1 翅片管換熱器幾何參數(shù)Tab.1 Geometry parameters of tested heat exchanger

表2 實驗工況Tab.2 Experimental working conditions

2 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗工況涉及翅片管換熱器的析濕工況，因此采用基于焓差的Threlkeld[18]方法進行數(shù)據(jù)處理，并采用Colburn傳質(zhì)因子jm對翅片管換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性進行描述。重要參數(shù)計算過程如下。

1)實驗中換熱器兩側(cè)流體總傳熱量采用兩側(cè)流體換熱量的平均值表示：

Qa=Ga(ia,in-ia,out)

(1)

Qw=Gwcp,w(Tw,out-Tw,in)

(2)

(3)

2)基于焓差的兩側(cè)流體總傳熱量：

Qavg=Uo,wA0Δilm

(4)

(5)

在翅片管換熱器的換熱過程中，熱阻主要來源于空氣側(cè)和水側(cè)的對流換熱熱阻，因此Uo,w可簡化為式(6)進行計算：

(6)

對于式(6)中的管內(nèi)水側(cè)對流換熱系數(shù)hw，采用Gnielinski[19]公式計算：

(7)

fw=(1.58lnRew-3.28)-2

(8)

(9)

對于式(6)中的3個系數(shù)b、bw,m、bw,t為飽和濕空氣焓值曲線在對應(yīng)溫度時的斜率。可由下式進行計算：

(10)

(11)

(12)

(13)

3)空氣側(cè)顯熱換熱量：

Qs=haA0η0(Ta,m-Ta,sur)

=Gacp,a(Ta,in-Ta,out)

(14)

翅片總效率η0：

(15)

對于全濕工況下的翅片效率η，采用S.Y.Liang等[20]提出的翅片效率計算模型進行計算，對于部分濕工況下的翅片效率，采用Ma Xiaokui等[21]提出的翅片效率計算模型計算，可得到全濕工況和部分濕工況下的翅片效率。

在式(14)中只有傳熱系數(shù)和翅片效率兩個未知數(shù)，結(jié)合求出的翅片效率，即可得到傳熱系數(shù)。實際求解過程中，對式(14)以及翅片效率計算公式進行迭代計算，從而獲得空氣側(cè)傳熱系數(shù)ha，以便進行空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的計算。

4)全濕工況下，Threlkeld提出的空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)求解方程為：

(16)

采用W.Pirompugd等[22]提出的全濕工況下的傳質(zhì)系數(shù)改進計算式：

(17)

(18)

(19)

翅片表面平均溫度對應(yīng)的飽和濕空氣焓值im,sur：

(20)

5)部分濕工況下，空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)計算式為：

(21)

對式(17)、式(21)進行計算可得空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)hm。

無量綱數(shù)Colburn傳質(zhì)因子jm：

(22)

計算得到傳質(zhì)因子jm表征空氣側(cè)傳質(zhì)特性。

根據(jù)Moffat[23]法對實驗參數(shù)進行誤差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 實驗參數(shù)精度表Tab.3 Accuracy of experimental parameters

3 實驗結(jié)果分析

3.1 實驗系統(tǒng)精度驗證

利用實驗臺在常壓下的實驗結(jié)果對實驗臺精度進行驗證，以保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性。目前對翅片管換熱器空氣側(cè)對流傳質(zhì)的預(yù)測模型研究較少，其中可用于平翅片管換熱器的模型主要有W.Pirompugd等[1]換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子關(guān)聯(lián)式：

(23)

(24)

將常壓下的實驗數(shù)據(jù)代入關(guān)聯(lián)式中進行對比，結(jié)果如圖2所示。傳質(zhì)因子關(guān)聯(lián)式預(yù)測值與實驗值的最大相對偏差為21.7%，平均相對偏差為7.4%，有97.9%的預(yù)測值與實驗值的偏差在±20%以內(nèi)。結(jié)果表明，本實驗裝置在常壓下傳質(zhì)因子的實驗結(jié)果與預(yù)測模型較為吻合，實驗裝置精度較高，實驗數(shù)據(jù)可靠。

圖2 實驗臺精度驗證Fig.2 Accuracy verification of test bed

3.2 環(huán)境氣壓的影響

實驗中，在改變環(huán)境壓力時，通過加濕器向濕空氣中噴入水蒸氣保持濕空氣的相對濕度不變。濕空氣的含濕量隨著環(huán)境壓力的變化如圖3所示。由圖3可知，濕空氣的含濕量隨著環(huán)境壓力的下降而增大。

圖3 濕空氣的含濕量隨著環(huán)境壓力的變化Fig.3 The variation of moisture content of wet air with ambient pressure

圖4所示為換熱器管排數(shù)為兩排，換熱器入口空氣相對濕度為50%時，傳質(zhì)因子隨換熱器迎面風(fēng)速、環(huán)境氣壓及翅片間距的變化。由圖4可知，相同風(fēng)速條件下，傳質(zhì)因子隨著環(huán)境壓力的降低而增大。研究工況下，環(huán)境壓力從40 kPa升至100 kPa時，空氣側(cè)傳質(zhì)因子下降18.2%～23.6%，且在風(fēng)速較小時，傳質(zhì)因子受氣壓變化的影響更大。分析其原因，在保持入口空氣干球溫度和入口空氣相對濕度不變的情況下，環(huán)境氣壓降低，濕空氣的含濕量不斷升高，從而導(dǎo)致傳質(zhì)速率增加，傳質(zhì)因子增大。

圖4 不同環(huán)境氣壓下傳質(zhì)因子隨換熱器迎面風(fēng)速的變化Fig.4 Variation of jm with air velocity under different ambient pressure

3.3 迎面風(fēng)速的影響

由圖4可知，在實驗工況下，隨著換熱器迎面風(fēng)速的增大，傳質(zhì)因子逐漸減小，變化趨勢與Wang Chichuan等[24]和N.H.Kim等[9]在常壓下的實驗結(jié)果趨勢相符。研究工況下，迎面風(fēng)速從0.5 m/s增至4 m/s，傳質(zhì)因子減小81.3%～83.2%。且在較低環(huán)境氣壓中，傳質(zhì)因子隨迎面風(fēng)速的變化更顯著。原因在于，迎面風(fēng)速的增大雖然可以增大空氣側(cè)對流傳質(zhì)系數(shù)，但空氣側(cè)速度場、溫度場及濃度場的協(xié)同性下降，導(dǎo)致空氣側(cè)對流傳質(zhì)系數(shù)增長趨勢不顯著，而由于傳質(zhì)因子表征的是空氣單位質(zhì)量流量時的傳質(zhì)能力，因此空氣側(cè)傳質(zhì)因子反而下降。

3.4 翅片間距的影響

由圖4可知，環(huán)境壓力為40、60、80、100 kPa時，對于相同的迎面風(fēng)速，隨著翅片間距的增大，換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子均減小，且該減小趨勢隨著迎面風(fēng)速的增加逐漸減小，與W.Pirompugd等[22]在常壓下的實驗結(jié)果趨勢相符。在迎面風(fēng)速為0.5 m/s時，翅片間距從2.5 mm增至3 mm，換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子降低4.7%～15.9%。該變化趨勢出現(xiàn)的主要原因在于，迎面風(fēng)速減小時，更小的翅片間距有利于換熱器空氣側(cè)整個流動區(qū)域保持穩(wěn)定層流狀態(tài)，可以抑制換熱管后部渦流區(qū)域的影響范圍。此外，當(dāng)翅片間距增大時，冷凝水在翅片間管外壁形成的冷凝水膜會越來越厚，從而減弱了空氣側(cè)的傳質(zhì)特性。

3.5 入口相對濕度的影響

圖5所示為換熱器管排數(shù)為兩排，換熱器翅片間距為2.5 mm時，傳質(zhì)因子隨換熱器迎面風(fēng)速、環(huán)境氣壓及換熱器入口空氣相對濕度的變化。

圖5 不同環(huán)境氣壓下入口空氣相對濕度對空氣側(cè)傳質(zhì)因子的影響Fig.5 Effect of inlet air relative humidity on jm under different ambient pressure

由圖5可知，在環(huán)境壓力為40、60、80、100 kPa時，對于相同的迎面風(fēng)速，隨著入口空氣相對濕度的增大，換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子均減小，該趨勢與馬小魁等[12]在常壓下的研究結(jié)果相符，且該減小趨勢隨迎面風(fēng)速的減小更加顯著。分析其原因，隨著入口空氣相對濕度的增大，換熱器外表面的冷凝水也越來越多，導(dǎo)致?lián)Q熱器表面冷凝水膜的厚度增大，減弱了換熱器空氣側(cè)的傳質(zhì)特性。

圖5中，迎面風(fēng)速為0.5 m/s時，當(dāng)環(huán)境氣壓為100 kPa，相對濕度由90%減至50%，傳質(zhì)因子增加45.4%；當(dāng)環(huán)境氣壓為80 kPa，相對濕度由90%減至50%，傳質(zhì)因子增加46.7%；當(dāng)環(huán)境氣壓為60 kPa，相對濕度由90%減至50%，傳質(zhì)因子增加53.3%；當(dāng)環(huán)境氣壓為40 kPa，相對濕度由90%減至50%，傳質(zhì)因子增加62.8%。主要原因是在研究的低環(huán)境氣壓工況時，環(huán)境氣壓降低使傳質(zhì)因子增大，而相對濕度減小也使傳質(zhì)因子增大，兩者對傳質(zhì)因子的影響疊加，使得隨著環(huán)境氣壓的降低，相對濕度的變化對空氣側(cè)傳質(zhì)因子的影響更加顯著。

4 結(jié)論

本文實驗研究了低氣壓下翅片管換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性，分析了環(huán)境氣壓、換熱器迎面風(fēng)速、翅片間距以及入口空氣相對濕度對換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的影響，在所研究工況下，得到如下結(jié)論：

1)換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子隨著環(huán)境壓力的升高而下降。環(huán)境壓力從40 kPa升至100 kPa時，空氣側(cè)傳質(zhì)因子下降18.2%～23.6%。

2)換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子隨著換熱器迎面風(fēng)速的增大而減小。換熱器迎面風(fēng)速從0.5 m/s增至4 m/s，傳質(zhì)因子減小81.3%～83.2%。

3)換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子隨著翅片間距的增大而減小。在迎面風(fēng)速為0.5 m/s時，翅片間距從2.5 mm增至3 mm，換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子降低4.7%～15.9%。

4)換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)因子隨著相對濕度的減小而增大。在迎面風(fēng)速為0.5 m/s時，當(dāng)相對濕度由90%減至50%，傳質(zhì)因子增加45.4%～62.8%。

5)在較低迎面風(fēng)速和較低環(huán)境氣壓下，翅片間距和換熱器入口空氣相對濕度對換熱器空氣側(cè)傳質(zhì)特性的影響更加顯著。

本文受上海市部分地方院校能力建設(shè)專項計劃(16060502600)資助。(The project was supported by the Capacity Building Plan for some Non-military Universities and Colleges of Shanghai Scientific Committee (No.16060502600).)

符號說明

D——換熱管管徑，mm

Fp——翅片間距，mm

P——管間距，mm

N——管排數(shù)

T——溫度，K

u——速度，m/s

umax——最窄面風(fēng)速，m/s

p——壓力，Pa

jm——傳質(zhì)因子

Q——換熱量，W

Qavg——換熱器兩側(cè)流體換熱量平均值，W

Qs——空氣側(cè)顯熱換熱量，W

G——質(zhì)量流率，kg/(m2·s)

i——焓值，kJ/kg

is,in——入口水溫對應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ/kg

is,out——出口水溫對應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ/kg

ia,sur——翅片表面溫度對應(yīng)飽和空氣焓值，kJ/kg

ia,m——空氣平均焓值，kJ/kg

is,m——水側(cè)平均溫度對應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ/kg

ifg——飽和水蒸氣焓值，kJ/kg

cp——定壓比熱容，J/(kg·K)

Uo,w——基于焓差的總傳熱系數(shù)，kg/(m2·s)

A0——換熱器空氣側(cè)總換熱面積，m2

At——換熱管外表面積，m2

Af——翅片表面面積，m2

b——換熱管壁溫與管內(nèi)平均水溫間飽和空氣焓值曲線斜率，J/(kg·K)

bw,m——翅片表面液膜平均溫度對應(yīng)的飽和空氣焓值曲線斜率，J/(kg·K)

bw,t——換熱管表面液膜平均溫度對應(yīng)飽和空氣焓值曲線斜率，J/(kg·K)

hw——水側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

ha——空氣側(cè)顯熱對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

hm——空氣側(cè)傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)

Lef——劉易斯因子

f——摩擦系數(shù)

Re——雷諾數(shù)

Pr——普朗特數(shù)

Sca——施密特數(shù)

w——絕對含濕量，g/kg

wm,sur——翅片表面飽和空氣絕對含濕量，g/kg

n2——雷諾數(shù)指數(shù)

Δilm——對數(shù)平均焓差，kJ/kg

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

ρ——密度，kg/m3

μ——動力黏度，N·s/m2

η——翅片效率

η0——整體翅片效率

ε——系數(shù)

δ——翅片厚度，mm

下標

a——空氣

w——冷卻水

out——出口

in——入口

m——平均

o——外側(cè)

i——內(nèi)側(cè)

t——橫向

l——縱向

sur——翅片表面

s——飽和