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卷 第 4 期 0 5年8月
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制
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冷
ION
与空调
AND AIR -
CONDITION IN
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Vol. 5 ,No. 4 August 2005
强化翅片管式换热器换热性能的方法及应用
李 革1) 王丽欣1) 刘世君2) 张 爽2) 张利群2) 刘若卉2) 李振宇2)
1 换热器类型及工作性能 随着科学技术的迅速发展 ,换热器的种类多种
多样 ,各行各业对换热器的要求不断提高 ,其分类 方法很多 ,但对换热器的分类用的最多也是最重要 的一种方法是按照其工作原理进行分类 ,分为间壁 式 、混合式和蓄热式三类[1 ] 。作为间壁式换热器 , 热流体和冷流体间有一固体壁面 ,两种流体被固体 壁面隔开 ,彼此不接触 ,热量的传递必须通过壁面 。 混合式换热器依靠冷 、热流体的直接接触而进行换 热 ,换热后理论上应变成同温同压的混合介质流 出 。蓄热式换热器则依靠固体填充物组成的蓄热 体传递热量 ,冷热流体依次交替的流过由蓄热体组 成的流道 。当热流体流过时 ,把热量储存于蓄热体 中 ,其温度逐渐升高 ,而当冷流体流过时 ,蓄热体因 放出热量温度逐渐降低 ,如此反复进行 。
通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优 化设计 ,然后对其换热性能与改进前换热器进行对 比计算 ,结果是改进后的换热器的传热系数得到了 提高 。 3. 1 调整换热器的翅片间距 ,设计成为变翅片间 距。 3. 1. 1 设计原理
本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统 中的蒸发器 (在 0 ℃及其以下条件工作时 ,翅片盘 管外表面温度等于或低于湿空气的露点温度时) , 由于在低温工况下工作的蒸发器表面存在结霜问 题 ,且蒸发器前几排管子的结霜较严重 ,而后几排 管子的结霜相对较轻 ,因而可采用变间距的翅片设 置[3 ] ,亦即沿风向片距越来越小 。霜开始形成时 表面粗糙度增大 ,引起传热面积增大 ,同时气体流 速也增大 ,从而导致在结霜初期传热系数 K 增大 , 但随着霜层的不断增厚传热热阻增加 ,最终导致传 热系数 K 减小[6 ] ,结霜对换热器性能的影响表现 在降低其传热系数和增大其阻力两方面 ,合理的换
热器结构应同时减小这两方面的影响[7 ] 。 当气流通过蒸发器时 ,由于空气中的水蒸气不
断地在翅片管表面沉积 ,空气由于除湿作用相对湿 度降低 ,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减 的 ,如果采取变片距结构 ,可以在结霜条件下保持 其较高的传热效率 ,并延长其冲霜时间[8 ] 。当蒸 发器采用变翅片间距结构时 ,实际上已构成了翅片 的错列分布 ,当空气横掠错列翅片时 ,翅片的交错 分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用 ,由于前 面翅片的绕流 ,翅片的前半部分换热加强 ,后面的 翅片的分布又使得流道变窄 ,流速提高 ,翅片后半 部分的换热也得到强化[9 ] 。 3. 1. 2 变翅片间距的结构示意图及对比计算
对于制冷量 Q0 = 2. 67 kW 的制冷系统 ,经过 结构改进 ,其热力性能计算结果如表 1 所示 。
等间距翅片 变间距翅片
增幅
表 1 变间距与等间距翅片换热器热力性能比较
外表面积 / m2
肋片表面积 / m2
铜管外表面积 / m2
外/ 内表面积比 β
11. 433
9. 09
2. 33
6
16. 589 5
目前国内外最普通且应用最广的是间壁式换
热器 ,其它类型换热器的设计和计算常借鉴于间壁 式换热器 。作为一种应用广泛的换热器 ,对其进行 的研究也非常多 ,主要是提高其换热性能 ,文中提 出了强化翅片管式换热器换热性能的方法 ,并通过 实验数据对其进行热力对比计算 。 2 提高换热器换热性能的途径
在提高换热器的换热性能方面 ,国内外的专家 学者都作了大量的分析 。从传热方程 Q = KAΔt 可以看出 ,单位时间的传热量 Q 不仅与传热系数 K 有关 ,而且与传热面积有关 ,但目前研究的主题 方向是提高传热系数 K 。对强制循环空气冷却 器 ,采取有效措施降低空气侧的传热热阻或在制冷 剂侧采用选择供液方式 ,控制供液量 ,或采用高效 传热管可明显提高传热系数[2 ] 。另外提高流体的 流速可以增大传热系数 ,但流动阻力也相应增大 , 因此通过增大流体的流速以增强传热系数 K 有一
(4)
式中 : hi , h0 为管内制冷剂和管外空气侧放热系数 ( W/ ( m2·K) ) ; Fi , F0 为管内 、外面积 ( m2) ; β为 管内外面积比 ; ri , r0 为管内 、外表面的污垢系数 ( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率 ( W/ ( m·K) ) ;η为 肋化效率 ; di , d0 为管子内/ 外径 (m) 。
(1)
Ki Fi = K0 F0
(2)
1/ Ki = 1/ hi + ri + ( F1i/ 2πλ) ln ( d0/ di)
+ r0/ (βη)
1/ K0 = β/ hi + rβi + ( F10/ 2πλ) ln ( d0/ di)
+ r0/ η + 1/ ( h0η)
由于该改进方案采用的是变翅片间距形式 ,在 理论上可近似认为是错列翅片 ,因此在分析中可借 用错列翅片的理论 。图 1 是所研究的流体纵掠错 列翅片的一个二维模型 ,翅片间距为 H ,厚度为 t 。 由于该结构形式实际为错列翅片 ,当流体纵掠翅片 时 ,气流在上游翅片先受到扰动 ,因此在前几排管 上的翅片换热加强 ,当气流流经后几排管子时 ,由 于流通截面迅速变窄 ,流速提高 ,使流体在原有的 基础上又进一步受到挤压 ,扰动更加剧烈 ,因此通 过后加上的一组翅片 ,使换热也得到了强化 。 通过变翅片间距的结构改进 ,冷风机在外形尺 寸即高度 、宽度和管总长度不变的前提下 ,在结霜 工况下运行时仍可保持较高的传热系数 ,且采用变 翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机 的传热系数提高了 9. 8 % ,且传热面积有所提高 , 通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热 的目的 (图 2) 。
当管内工质换热系数较大而管外工质换热系 数较小时 ,管外的对流传热热阻将成为传热的主要 阻力 。采用扩展表面 ,对于缩小换热器体积 ,提高 换热器效率有很重要的作用 。目前 ,已经开发出了 针状翅片 、波纹翅片 、百叶窗翅片 、三角形翅片 、单 面开槽条形片 、裂齿矩形翅片[11 ]等 。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发 方面 ,综观各种不同形状的强化管 ,其共同特点是 在兼顾压降的同时 ,传热面积都有不同程度的增 加 ,并通过两种机理提高其传热系数进行强化换 热 。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因 素 ,它产生于靠近管壁的层流底层 ,并有一个逐渐 增厚的过程 。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽 、凸 肋 ,会破坏贴壁层流状态 ,抑制边界层的发展 。同
图 1 错列翅片换热器示意图
图 2 变翅片间距换热器示意图
对于翅片管式换热器 ,其传热系数的计算采用 下列公式[10 ] 。
第 4 期 李 革等 :强化翅片管式换热器换热性能的方法及应用 · 81 ·
Q = Ki FΔi t m = K0 F0Δt m
14. 28
2. 31
8. 72
45. 1 %
57. 1 %
0. 86 %
45. 3 %
传热系数/ W/ (m2·K)
45. 18 49. 616 9. 8 %
3. 2 加强管内流体流动 ,管内壁加工变螺距内螺纹。 在不增大整体设备尺寸的前提下 ,增加其内表
面换热面积 ,加强管内流体的扰动 ,在原有换热器 的管内壁上加工变螺距内螺纹 。 3. 2. 1 设计原理
1) (大连水产学院) 2) (富士客车空调 (大连) 有限公司)
摘 要 通过两种不同的方法改进应用在不同场合的翅片管式换热器的结构 ,进而提高其换热性能 :一种 是将低温工况下易结霜的换热器设计成变翅片间距 ,一种是将空调工况下的换热器设计成变螺距内螺纹 管 。通过热力计算及实际系统使用 ,得出传热系数分别提高了 9. 8 %和 3. 82 %。 关键词 换热器 翅片管 传热系数 热力计算
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定的限度[3 ] 。此外增强传热可通过增加传热面积 实现 ,但增加传热面积不应靠加大整体设备的尺寸 来实现 ,而应从设备的自身结构来考虑[4 ] 。增加 传热面积总体上分为两种途径 :管外表面的扩大和 管内表面积的扩大 。目前管外表面积的增加主要 是在管外加翅片或扩展表面即肋化表面[5 ] ,它是 通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻 , 从而达到强化传热的目的 。经研究可通过下列途 径来增大设备单位体积的有效传热面积 : ①热传递 面采用扩展面 ,如在对流传热系数较小一侧的热传 递表面上附加翅片 、筋片 、销钉等 ; ②增大原有热传 递表面 ,如将表面处理成憎水性覆盖层 、多孔性覆 盖层 、双波纹状管等 ; ③在换热器中管子的强化方 面主要是异型管的开发 ,从而来达到增加传热面积 的目的 。异型管的种类包括螺旋槽纹管 、横纹槽 管 、缩放管 、波节管 、旋流管 、粗糙表面管 、螺旋扁 管 。上述所列强化管在国内外已有了许多成功的 开发和应用实例 。以益阳氮肥厂变换锅炉软水加 热器为例 ,采用缩放管后 ,换热面积减少了 69 %。 波节管换热器在国内也有较广泛的应用 ;北京化工 设计院和大连理工大学分别制造出烧结型和腐蚀 型粗糙表面多孔管 ,用于强化沸腾传热 ,均取得较 好的效果[4 ] 。 3 强化换热器换热的方法及热力计算
1 ) (Dalian Fisheries University) 2) ( Fuji Bus Air2conditioner (Dalian) Co . ,L t d. )
ABSTRACT Heat t ransfer coefficient is increased t hrough improving fin2t ube heat exchanger st ruct ure a little which is used in various conditions , one met hod is to change t he distance of two closed fins which is used in ref rigeration condition , t he ot her is to change t he t read pitch of inner screw t read t ube. By act ually using and calculating , it s heat t ransfer coefficient is respec2 tively increased 9. 8 % and 3. 82 %. KEY WORDS Heat exchanger Fin2t ube Heat t ransfer coefficient Thermodynamic calcu2 lat io n