摘要:在順列管束空-空中冷器的換熱規(guī)律研究中發(fā)現(xiàn),測溫點的布置對試驗結(jié)果有較大影響,最佳測溫點并非固定不變。通過對其進(jìn)行大量測試分析和數(shù)值計算,提出了測溫點布置的最佳位置與管外熱空氣雷諾數(shù)之間的關(guān)系式,為提高測試的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

    1　概述　　

    在換熱器的熱交換測試過程中,介質(zhì)溫度測點通常布置在離進(jìn)出口較近的地方[1,2],這樣做一般認(rèn)為可以減少熱損失,并能準(zhǔn)確地測得介質(zhì)經(jīng)過換熱器后的溫升或溫降。作者在經(jīng)過多種換熱器測試后發(fā)現(xiàn),冷側(cè)介質(zhì)進(jìn)口測溫點距換熱器太近時,易受到熱輻射影響;而冷、熱介質(zhì)出口處測溫面上不同測點結(jié)果相差較大,這樣得到的數(shù)據(jù)在進(jìn)行換熱器熱平衡計算時,往往偏差會超過5%。本文結(jié)合內(nèi)燃機(jī)/氣動發(fā)動機(jī)混合動力裝置的開發(fā),圍繞如何布置測點才能提高測量準(zhǔn)確性,對氣動缸進(jìn)氣預(yù)熱器中空氣測溫點的合理位置進(jìn)行了研究。

    2　中冷器測試系統(tǒng)介紹　

    　試驗系統(tǒng)由冷、熱兩個風(fēng)洞組成(見圖1[3])。冷、熱風(fēng)在試驗段進(jìn)行熱交換,熱風(fēng)橫掠順列管束,冷風(fēng)在管內(nèi)流動。風(fēng)洞及試驗段進(jìn)行了嚴(yán)密的保溫處理。試驗段由5排、3列管子組成,管徑40ｍｍ,壁厚1 5ｍｍ,長340ｍｍ,邊界為半圓管。為了減少熱損失,試驗段上、下板及管束端板選用16ｍｍ厚的優(yōu)質(zhì)細(xì)木工板,半圓管也為木質(zhì)。在試驗段進(jìn)出口處布置了測量溫度的熱電偶網(wǎng)。管束參數(shù)示于表1,試驗設(shè)備和儀表如表2。

    3　中冷器測溫點布置及調(diào)整　　

    為了能比較準(zhǔn)確地測量出管道截面的氣流溫度,在測溫面處布置了若干熱電偶。圖2[3]示出了熱風(fēng)進(jìn)、出口測溫面熱電偶的布置?？紤]到試驗段前氣溫比較均勻,在熱風(fēng)入口處的測溫面上布置了12個點,而在換熱后的熱風(fēng)出口測溫面上

      

    布置了16個測點;冷風(fēng)進(jìn)口測溫面上布置了10個點,冷風(fēng)出口測溫面上布置了20個點。作者最初將進(jìn)、出風(fēng)口測溫點布置在試驗段進(jìn)、出口處距離試驗管子50ｍｍ的位置,但經(jīng)過多次測試后發(fā)現(xiàn),在試驗段冷、熱風(fēng)出口處測溫網(wǎng)上的各點溫度值相差較大,在計算熱平衡時有許多工況誤差超過5%,有些則高達(dá)200%～300%。由于熱電偶在使用前都進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定,應(yīng)該說各測點處的溫度值是準(zhǔn)確的,但測溫網(wǎng)上各測點的溫度平均值并未真實反映出該測溫面上的溫度值。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),這是由于試驗段中熱、冷風(fēng)的風(fēng)速較高(熱風(fēng)Ｒｅｏｍａｘ=94299,ｕｏｍａｘ=43 14ｍ/ｓ;冷風(fēng)Ｒｅｉｍａｘ=91460,ｕｉｍａｘ=38 04ｍ/ｓ),經(jīng)過換熱器后的冷、熱空氣尚未充分混合均勻,導(dǎo)致測點布置不合理。用ＦＬＵＥＮＴ軟件對管內(nèi)外空氣流場進(jìn)行數(shù)值計算得到的溫度分布云圖也證實了這一點。由圖3可見,當(dāng)熱空氣流經(jīng)管束時,管束間通道氣溫相對較高,而管束尾流區(qū)氣溫較低;由圖4可見,管子出口處空氣溫度與管出口間空氣溫度差相差較大。這說明空氣剛經(jīng)過換熱器時尚未充分混合,溫度并不均勻。如果在離試驗段出口較近的地方布置數(shù)量有限的熱電偶時,測得的溫度很難反映出實際溫度。而如果單純增加測點,雖然可以提高測量準(zhǔn)確度,但會對空氣流場造成很大干擾,直接影響到試驗段后部測速段的數(shù)據(jù)測量。另外,由圖5可以看到,由于熱輻射的存在,冷側(cè)進(jìn)出口空氣溫度或多或少會收到影響。

     

　　經(jīng)過上述分析后,對測溫點重新進(jìn)行了調(diào)整。將冷風(fēng)進(jìn)口測溫網(wǎng)前移至冷風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)口蜂窩器上(調(diào)整20個點,均勻分布在蜂窩器上,且使熱電偶不與其接觸,蜂窩器位置見圖1);將試驗段冷風(fēng)出口處的測溫網(wǎng)后移至冷風(fēng)道冷風(fēng)試驗段后的蜂窩器上;熱風(fēng)出口處的測溫網(wǎng)后移至試驗段后蜂窩器上。相應(yīng)地對試驗段至測溫點的管道進(jìn)行嚴(yán)格的保溫處理。調(diào)整后重新進(jìn)行測試,結(jié)果表明,熱平衡率大都保持在95%以上,測試結(jié)果十分理想。

    4　測溫點的最佳位置探討　　

    通過以上研究可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)速高時,測溫面與管束之間的距離Ｌ就大,反之則小。由此可以斷定Ｌ與管束間熱空氣雷諾數(shù)之間一定存在某種關(guān)聯(lián),為了找出這個關(guān)系,對熱空氣橫掠5排順列光管管束的換熱進(jìn)行數(shù)值模擬計算。冷側(cè)為室溫20℃空氣,風(fēng)速保持不變,進(jìn)試驗段前熱側(cè)風(fēng)速選取16、13、10、6和3ｍ/ｓ四個參數(shù),熱空氣進(jìn)口溫度保持100℃不變,橫向管間距ｓ1=70ｍｍ。計算結(jié)果如表3。　　由表3數(shù)據(jù)整理得到了Ｌ與Ｒｅｏ之間的關(guān)系　?。?0 0035Ｒｅｏ-0 8057(1)由圖6和式(1)可以看出,最佳測溫面的位置不是固定不變的,而是與管束中空氣的流動狀況密切相關(guān)。隨著空氣流速的增大,雷諾數(shù)增大,最佳測溫距離也隨之增大。這種趨勢與試驗測試的結(jié)論是一致的。

    

    5　結(jié)論　　

    空氣在換熱器出口處由于尚未混合充分,溫度場分布不均勻,對布置在該區(qū)域的測溫點測量結(jié)果有較大影響;另外熱輻射的存在對測溫結(jié)果也有一定影響。為了提高溫度測量的準(zhǔn)確性,通過試驗測試和數(shù)值模擬計算,初步確定了測溫點布置的最佳位置:冷側(cè)空氣進(jìn)口測溫面可布置在距離換熱器0 4ｍ以外的地方,主要是防止熱輻射和管道導(dǎo)熱對測溫造成干擾;熱空氣出口測溫面布置在氣流混合均勻處,該距離與管間熱空氣雷諾數(shù)之間關(guān)系如式(1)所示。