1 概述
在换热器的热交换测试过程中,介质温度测点通常布置在离进出口较近的地方[1,2],这样做一般认为可以减少热损失,并能准确地测得介质经过换热器后的温升或温降。作者在经过多种换热器测试后发现,冷侧介质进口测温点距换热器太近时,易受到热辐射影响;而冷、热介质出口处测温面上不同测点结果相差较大,这样得到的数据在进行换热器热平衡计算时,往往偏差会超过5%。本文结合内燃机/气动发动机混合动力装置的开发,围绕如何布置测点才能提高测量准确性,对气动缸进气预热器中空气测温点的合理位置进行了研究。
2 中冷器测试系统介绍
试验系统由冷、热两个风洞组成(见图1[3])。冷、热风在试验段进行热交换,热风横掠顺列管束,冷风在管内流动。风洞及试验段进行了严密的保温处理。试验段由5排、3列管子组成,管径40ｍｍ,壁厚1 5ｍｍ,长340ｍｍ,边界为半圆管。为了减少热损失,试验段上、下板及管束端板选用16ｍｍ厚的优质细木工板,半圆管也为木质。在试验段进出口处布置了测量温度的热电偶网。管束参数示于表1,试验设备和仪表如表2。
3 中冷器测温点布置及调整
为了能比较准确地测量出管道截面的气流温度,在测温面处布置了若干热电偶。图2[3]示出了热风进、出口测温面热电偶的布置。考虑到试验段前气温比较均匀,在热风入口处的测温面上布置了12个点,而在换热后的热风出口测温面上
布置了16个测点;冷风进口测温面上布置了10个点,冷风出口测温面上布置了20个点。作者最初将进、出风口测温点布置在试验段进、出口处距离试验管子50ｍｍ的位置,但经过多次测试后发现,在试验段冷、热风出口处测温网上的各点温度值相差较大,在计算热平衡时有许多工况误差超过5%,有些则高达200%～300%。由于热电偶在使用前都进行了严格标定,应该说各测点处的温度值是准确的,但测温网上各测点的温度平均值并未真实反映出该测温面上的温度值。经分析发现,这是由于试验段中热、冷风的风速较高(热风Ｒｅｏｍａｘ=94299,ｕｏｍａｘ=43 14ｍ/ｓ;冷风Ｒｅｉｍａｘ=91460,ｕｉｍａｘ=38 04ｍ/ｓ),经过换热器后的冷、热空气尚未充分混合均匀,导致测点布置不合理。用ＦＬＵＥＮＴ软件对管内外空气流场进行数值计算得到的温度分布云图也证实了这一点。由图3可见,当热空气流经管束时,管束间通道气温相对较高,而管束尾流区气温较低;由图4可见,管子出口处空气温度与管出口间空气温度差相差较大。这说明空气刚经过换热器时尚未充分混合,温度并不均匀。如果在离试验段出口较近的地方布置数量有限的热电偶时,测得的温度很难反映出实际温度。而如果单纯增加测点,虽然可以提高测量准确度,但会对空气流场造成很大干扰,直接影响到试验段后部测速段的数据测量。另外,由图5可以看到,由于热辐射的存在,冷侧进出口空气温度或多或少会收到影响。
经过上述分析后,对测温点重新进行了调整。将冷风进口测温网前移至冷风系统进口蜂窝器上(调整20个点,均匀分布在蜂窝器上,且使热电偶不与其接触,蜂窝器位置见图1);将试验段冷风出口处的测温网后移至冷风道冷风试验段后的蜂窝器上;热风出口处的测温网后移至试验段后蜂窝器上。相应地对试验段至测温点的管道进行严格的保温处理。调整后重新进行测试,结果表明,热平衡率大都保持在95%以上,测试结果十分理想。
4 测温点的最佳位置探讨
通过以上研究可以发现,当风速高时,测温面与管束之间的距离Ｌ就大,反之则小。由此可以断定Ｌ与管束间热空气雷诺数之间一定存在某种关联,为了找出这个关系,对热空气横掠5排顺列光管管束的换热进行数值模拟计算。冷侧为室温20℃空气,风速保持不变,进试验段前热侧风速选取16、13、10、6和3ｍ/ｓ四个参数,热空气进口温度保持100℃不变,横向管间距ｓ1=70ｍｍ。计算结果如表3。 由表3数据整理得到了Ｌ与Ｒｅｏ之间的关系 Ｌ=0 0035Ｒｅｏ-0 8057(1)由图6和式(1)可以看出,最佳测温面的位置不是固定不变的,而是与管束中空气的流动状况密切相关。随着空气流速的增大,雷诺数增大,最佳测温距离也随之增大。这种趋势与试验测试的结论是一致的。
5 结论
空气在换热器出口处由于尚未混合充分,温度场分布不均匀,对布置在该区域的测温点测量结果有较大影响;另外热辐射的存在对测温结果也有一定影响。为了提高温度测量的准确性,通过试验测试和数值模拟计算,初步确定了测温点布置的最佳位置:冷侧空气进口测温面可布置在距离换热器0 4ｍ以外的地方,主要是防止热辐射和管道导热对测温造成干扰;热空气出口测温面布置在气流混合均匀处,该距离与管间热空气雷诺数之间关系如式(1)所示。