航空宇航工程

椭圆管壳管式换热器传热性能的实验研究

  • 张如意 , 1 ,
  • 潘昆 1 ,
  • 齐佳伟 1 ,
  • 焦鹏程 1 ,
  • 张云飞 2 ,
  • 柏立战 2
展开
  • 1. 航空工业新乡航空工业(集团)有限公司 热交换器研究所,河南 新乡 453049
  • 2. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京 100191

张如意(1989-),女,河南三门峡人,高级工程师,主要研究方向:航空紧凑式换热器的强化换热及设计,E-mail:

收稿日期: 2023-07-30

  网络出版日期: 2023-12-22

基金资助

国家自然科学基金(51776012)

Experimental study on heat transfer performance of a shell and tube heat exchanger with elliptical tubes

  • Ruyi ZHANG , 1 ,
  • Kun PAN 1 ,
  • Jiawei QI 1 ,
  • Pengcheng JIAO 1 ,
  • Yunfei ZHANG 2 ,
  • Lizhan BAI 2
Expand
  • 1. Institution of Heat Exchanger Technology,AVIC Xinxiang Aviation Industry(Group) Co. ,Ltd. ,Xinxiang 453049,China
  • 2. School of Aeronautic Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China

Received date: 2023-07-30

  Online published: 2023-12-22

摘要

为了确保滑油的润滑效果,对滑油进行高效冷却使其处于适宜的温度范围,提升燃滑油换热器的传热性能,满足航空发动机对其性能的更高要求。基于椭圆管良好的换热及流动特性和小管径椭圆异形管技术,设计开发一种椭圆管壳管式燃滑油换热器,并搭建实验平台,对其传热与流阻特性开展全面的实验研究,并同常规的圆管壳管式换热器进行比较分析。实验获得了椭圆管壳管式换热器传热量以及流阻随流量的变化规律。实验结果表明,在实验工况范围内,相比常规的圆管壳管式换热器,椭圆管壳管式换热器传热量最高可提升15.6%;同时,壳管式换热器壳侧流动阻力明显降低,最大降幅达23.2%,而管侧流动阻力变化很小。以基准圆管换热器为标准,椭圆管壳管式换热器的PEC指数在管外侧流量大于20 L/min时稳定在1.2~1.4区间内,证明该换热器达到提高综合换热性能的目的,在航空发动机高效燃滑油换热领域具有广阔应用前景。

本文引用格式

张如意 , 潘昆 , 齐佳伟 , 焦鹏程 , 张云飞 , 柏立战 . 椭圆管壳管式换热器传热性能的实验研究[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2023 , 40(5) : 9 -16 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-1248.2023.05.002

Abstract

In order to ensure the lubrication effect of the lubricating oil,the lubricating oil was cooled efficiently to make it in a suitable temperature range,improve the heat transfer performance of the fuel oil heat exchanger,and meet the higher performance requirements of the aero-engine. Based on the excellent heat transfer and flow characteristics of the elliptical tube and the technology of small diameter elliptical-shaped tubes,a shell and tube heat exchanger was designed and developed with elliptical tubes and built an experimental platform to carry out comprehensive experimental researches on its heat transfer and flow resistance characteristics,lastly compared and analyzed it with conventional shell and tube heat exchangers with circular tubes. The variation law of heat transfer and flow characteristics with the flow rate of the shell and tube heat exchanger with elliptical tubes were obtained experimentally. The experimental results show that in the range of the experimental conditions,compared with the conventional shell and tube heat exchanger with circular tubes,the heat transfer of the shell and tube heat exchanger with elliptical tubes can be increased by 15.6% at most; meantime,the shell side flow resistance of shell and tube heat exchangers decreases significantly,with a maximum reduction of 23.2%,while the change in flow resistance on the tube side is small. Taking the conventional shell and tube heat exchanger with circular tubes as the standard,the PEC index of the shell and tube heat exchanger with elliptical tubes is stable in the range of 1.2~1.4 when the flow rate at the tube’s outside is greater than 20 L/min,which proves that the heat exchanger has achieved the purpose of improving the comprehensive heat exchange performance,and has a broad application prospect in the field of efficient fuel oil heat exchange in aero-engines.

航空发动机是高速旋转机械,为确保其长时间安全可靠运行,对轴承的有效润滑至关重要。其中,滑油作为常用的润滑剂,必须工作在合适的温度范围,才能发挥最佳的润滑防护效果。如果滑油温度过高,一方面,滑油黏度降低,将无法提供良好的润滑保护,加快零件摩擦表面的磨损;另一方面,将加速滑油自身的氧化变质,显著降低其使用寿命。因此,必须采取有效措施对滑油进行主动冷却。燃滑油换热器是航空发动机利用燃油热沉实现滑油冷却的核心设备。通过燃油与滑油之间的热交换,能够有效控制滑油温度,确保滑油的润滑效果,保证航空发动机轴承安全可靠工作。为确保飞行安全,航空发动机对换热器的结构可靠性要求很高1。壳管式换热器因其结构简单可靠、耐高温高压性能优良,在航空发动机燃滑油换热器设计中被广泛应用。
目前,国内外对壳管式换热器,特别是对壳管式燃滑油换热器的换热特性开展了较多研究工作,并取得一定成果。谷俊2基于对换热器壳程的流动分析,通过实验验证了采用Kern法、Bell-Delaware 法和分段模拟法计算换热特性的准确度。吕亚国等3引入无量纲关系式表征换热器冷热边对流换热特性,基于 ε -NTU法建立了典型壳管式燃滑油换热器传热特性的计算方法。张效伟等4对某型涡扇发动机用燃滑油散热器进行了试验研究,得出了燃滑油散热器性能曲线,并根据实验数据建立了换热器性能计算模型。此外,很多学者对壳管式燃滑油换热器的传热性能进行了深入分析5-7
近年来,随着航空发动机性能的不断提升,壳管式换热器较低的换热效率成为制约其进一步发展的主要因素。如何提升壳管式换热器的换热效率,并进一步提升结构紧凑度成为亟待解决的问题。为实现强化传热,国内外学者对各种异形管应用于壳管式换热器传热强化进行了探索和尝试8-9。其中,椭圆异形管由于近似流线型,能够有效减少绕体涡流的产生,大幅降低流体掠过管外壁面时产生的流动阻力,同时达到强化传热的目的。Lin等10对空气在圆管和椭圆管管翅式换热器的流动进行数值仿真,证明了空气在椭圆管外的流动压降远低于圆管,椭圆管外的摩擦因子仅为圆管的0.6倍。同时,相比于其他异形管,椭圆管结构简单,制造难度低,安装风险小,可靠性高,更符合航空发动机燃滑油换热器的应用需求。
然而,目前对应用椭圆管进行强化传热的换热器的研究主要针对工业用大型壳管式换热器11-12,传热管当量直径一般在6 mm以上,介质以空气居多,流动状态多为紊流。对于应用小管径椭圆异形管的航空发动机用壳管式换热器的实验研究与验证较少13-15。针对上述背景,本文考虑航空发动机滑油冷却具体需求,设计开发了一种小管径椭圆管壳管式换热器,并开展系统的实验研究,将其与常规的圆管壳管式换热器的传热与流动特性进行详细比较分析。实验获得了椭圆管壳管式换热器在雷诺数7 000以下时传热与流动性能随流量的变化情况。实验结果对于航空领域基于小管径椭圆异形管的壳管式燃滑油换热器的设计具有重要的指导意义和参考价值。

1 实验系统

1.1 实验件

以圆管壳管式换热器作为比较基准,以管内和管外换热面积相同为原则,设计壳程和管程数均为1的椭圆管壳管式换热器。图1a给出壳管式换热器的基本结构,表1给出作为基准的圆管壳管式换热器和椭圆管壳管式换热器的详细结构参数。其中,圆管和椭圆管均呈正三角形叉流式布置,介质流动方向如图1b所示。两种换热器的管侧介质均为燃油,壳侧介质均为滑油。
图1 椭圆管和圆管壳管式换热器结构
表1 换热器详细结构参数
管型 项目 参数
壳体内径/mm 84
椭圆管/ 管长/mm 170
圆管 壳程数 1
管程数 1
椭圆管 (外径长轴/短轴)/(mm·mm-1 3.4/2.1
内径长轴/短轴(mm·mm-1 3.0/1.7
管外当量直径/mm 2.44
管内当量直径/mm 2.02
管外总传热面积/m2 0.288
管内总传热面积/m2 0.265
圆管 管外径/mm 2.80
管内径/mm 2.30
管外总传热面积/m2 0.288
管内总传热面积/m2 0.265

1.2 实验平台

由于条件限制,本实验中采用15号航空液压油代替滑油开展实验研究。实验系统如图2所示。整个系统由3部分组成,包括液压油循环系统、燃油循环系统和温度/压力/流量数据采集与显示系统。液压油循环系统和燃油循环系统通过加热器和冷却水系统控制温度,并通过机械泵和流量调节阀控制冷热流体的流量。数据采集系统通过流量计、温度传感器、压力传感器采集、存储和显示燃油和液压油流量及进入换热器前后的温度、压力值。表2给出实验过程主要测量仪器设备的精度。对壳管式换热器外壳包覆约厚度10 mm的绝热材料,减小换热器向周围环境的漏热。
图2 实验系统结构示意图
表2 主要测量仪器设备的精度
名称 型号 测量误差
温度传感器 PT100 ±0.5℃
压力传感器 KYB18G07M1P1CI-I ±0.25%
流量计 F200S419CRHMMZZZZ ±0.1%
实验步骤如下:首先调整液压油控制阀,常温下将液压油流量调整至20 L/min;然后调整液压油温度控制阀,将液压油温度逐步升至100 ℃,并调整液压油入口压力为1.2 MPa,同时对液压油控制阀进行微调,保持流量为20 L/min;然后调整燃油流量控制阀,常温下将燃油流量调整至11 L/min,之后燃油温度逐步升高至60 ℃,并调整燃油入口压力为1.8 MPa,同时对燃油控制阀进行微调,使其保持流量为11 L/min。待两侧流体保持稳定状态不低于10 min,记录燃油和液压油的出口温度和压力;接着,将液压油流量调整至60 L/min,其余参数不变,达到稳定状态后记录燃油和液压油的出口温度和压力。依次将液压油流量调整至100、200、275 L/min,并分别记录稳定状态时燃油和液压油的出口温度和压力。最后,将燃油流量分别调整至22、88、157、220、286 L/min,重复上述流程。

1.3 实验参数与数据处理

根据航空发动机燃滑油换热器设计经验,典型工况下航空发动机燃滑油换热器中燃油和滑油的雷诺数均小于7 000。针对该Re范围,实验中燃油和液压油的流量均控制在300 L/min以内。此外,设定燃油入口温度为60 ℃,入口压力为1.8 MPa; 设定液压油入口温度为100 ℃,入口压力为1.2 MPa。
实验中,当燃油/滑油温度在半小时内变化量小于0.5 ℃,则认为系统达到稳定状态。根据能量守恒,可得该壳管式换热器的换热量等于燃油的吸热量,即
Q = ρ V C p T o u t - T i n
式中:ρ为燃油的密度;V为燃油的流速;Cp 为燃油的比热;T outT in分别为燃油的出口温度和入口温度。
本实验还测试了两种壳管式换热器在管侧和壳侧的流动压降,通过在工质出入口处布置压力传感器可直接获得工质压力数值,进而得到流动压降,用符号 p f表示。
为了对椭圆管壳管式换热器的强化传热性能做进一步分析,合理评价其流动换热能力,引入换热器性能评价标准(performance evaluation criterion,PEC)。PEC指数可以分析相同压降下换热器传热能力的强弱,其数值大于1,代表换热器相较于基准换热器具有强化换热效果;数值小于1,代表换热器相较于基准换热器换热性能更差。PEC指数的定义式为
P E C = ( N u ) e / ( N u ) r ( f e / f r ) 1 / 2
式中:下标e为圆管壳管式换热器参数;下标r为椭圆管壳管式换热器参数;Nu是努塞尔数;f是管内流动的Darcy阻力系数,二者的定义式如下
N u = h l λ
f = p f d e 2 L ρ u 2
式中:h为换热系数;l为换热器特征长度;λ为管壁材料导热系数;de 为换热器管道的当量直径;L为换热器管道总长度;u为燃油流速。
为确保数据严谨性,需要对换热量及流阻的不确定度进行分析。温度、压力及体积流量属于直接测量量,依据不确定度公式
Δ = Δ A 2 + Δ B 2
式中:Δ AA类不确定度;Δ BB类不确定度;计算得到ΔT=0.3 K,Δp=2.5 kPa,ΔV=0.2 L/min。
流动阻力、换热器换热量属于间接测量量,依据不确定度公式
Δ y = k = 1 n ( f x k Δ k ) 2 x k = x ¯ k
间接测量量的不确定度随约定真值的大小而变化,因此结合式(6),分别计算各实验条件下的不确定度,得到流动阻力在168 kPa时取得最大不确定度为5 kPa,最大相对不确定度为3.0%,换热器燃油吸热量在287.5 kW时取得最大不确定度为3.83 kW,最大相对不确定度为1.3%。

2 实验结果与分析

2.1 传热分析

图3给出两种结构的壳管式换热器在管外侧液压油流量为20、60、100、200、275 L/min时,燃油液压油换热量随燃油流量的变化。根据图3可知:(1)当液压油流量一定时,两种换热器的换热量均与燃油流量呈正相关,但并非简单的线性关系。随着燃油流量的增大,换热量增速逐渐变缓;(2)当液压油流量为20 L/min和60 L/min时,两种换热器的换热量基本一致,表明椭圆异形管换热器在此工况下并没有显著的强化换热效果。进一步分析计算得出,当液压油流量为20 L/min和60 L/min时,其雷诺数Re分别为101和304,据此可得在管外侧工质Re小于304时,椭圆异形管换热器较圆管换热器没有显著的强化换热作用;(3)增加管外侧液压油流量,当液压油流量为100 L/min和200 L/min时,管外侧液压油工质Re≥500,椭圆异形管壳管式换热器的换热量明显高于圆管换热器,且管外侧流量越大,强化换热效果越明显。当液压油流量为最大流量275 L/min时,其Re为1 395,此时椭圆异形管换热器的换热量相比基准的圆管换热器提升15.6%,达到最大值。
图3 传热量随管内侧流量的变化
图4给出两种换热器在管内侧燃油流量分别为11、22、88、157、220、286 L/min时,燃油液压油换热量随液压油流量的变化。根据图4可知,当管内侧燃油流量为11L/min时,椭圆异形管换热器强化换热效果并不明显,此时管内燃油Re为248。增加管内侧燃油流量,当管内侧燃油工质流量为22、88、157、220 L/min时,管内燃油Re≥496,此时椭圆异形管换热器的管外侧换热量高于基准的圆管换热器,且管内流量越大,强化换热效果越明显。当燃油流量为最大流量286 L/min时,管内燃油雷诺数Re达6 451,椭圆异形管换热器的管内侧换热量相比基准的圆管换热器提升13.1%,达最大值。
图4 传热量随管外侧流量的变化
由以上实验结果进一步分析得出,该椭圆异形管换热器工作在管内外任意一侧工质Re较小的工况下,特别在管外侧Re<304或管内侧Re<248时,相比基准圆管换热器的强化换热效果并不明显。随着管侧与壳侧流体Re增大,在相同工况下椭圆异形管换热器的传热量较基准圆管换热器有所提高,表现出更好的传热性能。

2.2 流阻分析

图5给出两种换热器管外侧工质的流阻随流量的变化。由图5可知,椭圆异形管换热器和圆管换热器管外侧流阻均随液压油流量的增加而增大。然而,由于椭圆轮廓更接近流线型,能够抑制尾部边界层的分离以及尾涡的产生,在相同工况下,椭圆异形管流阻明显低于圆管流阻。随着液压油流量增大,椭圆异形管换热器与圆管换热器的管外侧流阻差异不断增加。在本实验范围内,管外侧流阻最高降低23.2%,验证了椭圆异形管的流线型外轮廓能够有效降低管外侧流阻。
图5 管外侧流阻随流量变化
图6给出两种换热器管内侧工质的流阻随流量的变化。由图6可知,椭圆异形管换热器和圆管换热器管内侧流阻均随燃油流量的增加而增大。在相同流量下,椭圆异形管的流阻与圆管流阻基本相当,且略有降低。由此看出,应用椭圆管对壳管式换热器的影响主要在于降低管外侧工质的流动阻力,进而强化管外侧工质的换热效果,达到提升换热器性能的目的。
图6 管内侧流阻随流量变化

2.3 PEC分析

根据式(2)~(4)对两种换热器在管外侧液压油流量为20、60、100、200、275 L/min时,不同燃油流量下的PEC进行计算。根据前文,椭圆管对壳管式换热器的主要提升在于提高管外侧工质流动换热效果,因此选取管外侧工质流动时的相关参数进行PEC计算,结果如图7所示。由图7可知,管外侧液压油流量为20 L/min,椭圆管壳管式换热器只在燃油流量10 L/min时相较圆管壳管式换热器表现出了优势,其余情况下换热效果与圆管换热器近似。出现这种现象的原因是管外侧液压油是低流速、小流量,而管内侧燃油是大流量的情况下,管外侧液压油均可以做到充分换热,与管线截面形状无关,因此椭圆管结构优势无法体现。在管外侧液压油流量为60、100、200、275 L/min时,椭圆管换热器在各燃油流量下均体现出了一定的优势,在燃油流量大于20 L/min 后,PEC稳定在1.2~1.45区间内,其中在液压油60 L/min、燃油流量为22 L/min时,PEC取得最大值为1.425。说明椭圆管壳管式换热器的综合换热性能强于圆管壳管式换热器,椭圆管的应用具有强化换热效果。
图7 管内侧流阻随流量变化

3 结论

本文针对航空发动机滑油冷却应用背景,设计开发了一种椭圆管壳管式燃油/滑油换热器,对其传热与流动特性进行全面的实验研究,并与基准圆管壳管式换热器的性能进行对比分析,得出以下结论:
(1)相比基准圆管壳管式换热器,椭圆管壳管式换热器在管外侧Re<304或管内侧Re<248范围内,强化换热的效果并不明显;在管外侧Re≥500或换热器在管内侧Re≥496时,换热量高于圆管换热器,本实验范围内换热量最高提升15.6%。
(2)椭圆管壳管式换热器和基准圆管换热器的管外侧流阻均随管外侧流量的增加而增大。相同流量下,椭圆管换热器管外侧流阻低于圆管外侧流阻,且随着流量增大,椭圆管换热器与基准圆管换热器的流阻差异增大。本实验范围内管外侧流阻最高降低23.2%。
(3)以基准圆管换热器为标准,椭圆管壳管式换热器的PEC指数在管外侧流量大于20 L/min时稳定在1.2~1.4区间内,椭圆管壳管式换热器的综合换热性能强于圆管壳管式换热器。
综上所述,本文提出的椭圆管壳管式换热器在高雷诺数条件下较圆管壳管式换热器具有更优的传热性能和流动性能,在航空发动机高效滑油冷却等领域具有广阔的应用前景。
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