几种翼型涡流发生器强化换热及流阻性能的实验研究

    制冷剂-空气热交换装置是空调系统中的关键部件.由于空气的密度和热传导系数较小,导致气侧热阻成为传热过程的控制热阻[1],直接影响换热器的性能.一种颇有前景的方法是利用涡流发生器诱导涡旋来减薄或破坏流体边界层及层流底层,以提高气侧对流换热系数.该方法的特点是不需直接使用外来能量.自1969年Johnson最早关注涡流发生器对换热的影响以来[2],不少翼型涡流发生器的强化传热和压降特性得到了深入的研究[3~8],但不同实验条件下的结果不尽相同,并且,大多数研究集中在平板或圆柱周围布置涡流发生器,通道流中的情形尚不多见.笔者在雷诺数Re=4 000~38 000的紊流范围内对矩形风道内分别布置单排一对直角三角翼、矩形翼和梯形翼(斜边倾角φ=20b和12b两种)等翼型涡流发生器的强化传热和流阻性能在固定高宽比和迎流攻角等条件下进行了对比实验,以综合评价其强化传热的效果.

    1 实验系统与方案

    实验系统如图1所示.实验段以2.4 mm厚的紫铜板为换热板进行气水逆流换热,涡流发生器用耐温胶固定在气侧铜板前部,涡流发生器方位如图2所示.空气进出口和热水进出口布置铠装铂铑-铂热电偶.在水侧铜板开槽埋设经过标定的铜-康铜热电偶21个,以测量壁面温度,测温数据由HP34970A数据采集系统采集.空气流速用EY3-2A热线风速仪测量,水侧流量用LZB型转子流量计测量.在实验段的进出口布置测压孔,用YYT-2000倾斜式微压计测量压力损失.在Re=4 000~38 000范围内的7种工况下,分别对单排一对直角三角翼、矩形翼、梯形翼(斜边倾角φ=20b和12b两种)及无涡流发生器的平直流道进行对比实验.所有实验涡流发生器的宽度b=70 mm,高宽比h/b=1/2,固定迎流攻角β=60°,涡流发生器对前沿间距s=10mm,前沿距实验段入口无量纲距离均为l/L=0.12.涡流发生器(VG)外形分别如图3所示.控制实验段热水进口温度为(70±1) ℃.为减少实验误差,根据空气侧不同雷诺数,调节水侧流量在120~260 L/h内变化.实验在稳定工况下进行.

    2 实验结果及分析

    2.1 数据处理方法

    水侧放热量

    空气侧吸热量

    式中:V1为水的体积流量,m³/s; t1,i和t1,o分别为水的进、出口温度, ℃;c1和c2分别为水和空气的比定压热容,J/(kg• ℃);u2为风速,m/s; A2为实验风道横截面积,m2; t2,i和t2,o分别为空气的进、出口温度, ℃.

    当(Q1-Q2)/Q1≤50Þ0时,认为工况达到稳定.取Q1和Q2的平均值作为换热量,可计算热流密度q,即

    式中: F为换热面积,m².由于实验段较短,经计算验证,实验边界条件可近似为等热流密度条件.