以下是:無縫翅片管多種材質的產品參數
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翅片管束1什么是翅片管束？
由多支翅片管按一定規律排列起來而組成的換熱單元叫翅片管束。一個翅片管換熱器可以由一個或多個翅片管束組成。
2翅片管束的結構組成包括？
翅片管（多支）：傳熱的基本元件。
管箱（集箱）或管板：連接翅片管兩端的箱體，彎管或鋼板。當翅片管與箱體或管板連接以后，翅片管之間的間距也就固定了，同時，管箱使管內的流體形成了連續的流道。
構架：使整個翅片管束得以支撐和固定。
3翅片管的排列方式？ 在一個管束中，翅片管排列方式的選取是致關重要的。有兩種排列方式：叉排和順排。
所謂叉排，是指在氣流方向管子交叉排列，而順排是指在氣流方向管子順序排列。
順排和叉排的優缺點：
順排：流體管外繞流時，受到的擾動較小，換熱系數較低，但優點是阻力小。
叉排：流體管外繞流時，受到的擾動較大，換熱系數較高，但缺點是阻力大。
當對阻力降沒有嚴格限制時，應叉排排列；當要求的阻力降很小時，應選取順排方案。
4管箱的結構形式
如果說管束的排列形式（順排或叉排，及管間距的選取）主要是考慮管外流體的換熱要求而確定的話，那么管箱的形式和結構則主要是考慮管內流體的壓力和換熱要求。
一般應遵循下列原則：
（1）若管內流體的壓力較高，一般選用大直徑的圓管作為管箱。
例如，在鍋爐應用上，幾乎都選用圓管作為管箱。
2）在空冷器應用上，喜歡采用方形箱體。
方形箱體的優點是可以同時連接多排翅片管。當管內是蒸汽的凝結時，需要有大的蒸汽空間，一個管箱與多排管子相連是必要的。
（3）當管內流體的進出口溫度相差很大時，管箱可能會因為管排的熱膨脹不同而變形，這時，宜采用分解式管箱。
4）除了管束的排和后排，必須采用相應的管箱連接之外，其它各排好用彎管一對一連接。其優點在于：
能提高換熱效率。理論證明，一對一連接能避免各排管流體的摻混，而流體的摻混使傳熱溫差和傳熱效率降低。
能減少流體的流動阻力。因為一對一連接保證了流動截面積不變，避免了流體不斷地膨脹和收縮。
彎管能“吸收”熱膨脹而產生的變形。
優化設計方法包括兩部分：翅片結構設計和制冷劑流路設計。由于翅片尺寸決定了管間距，進而影響制冷劑流路分配，因此應首先設計翅片結構，其次設計制冷劑流路。圖1 為優化設計流程圖。1、翅片結構設計 在翅片結構設計中，將采用CFD 方法對翅片結構進行優化設計。優化設計主要分為如下5 個步驟：
步驟1：確定優翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優高寬比是指在相同翅片面積下，翅片效率高的翅片高寬比。翅片效率可定義為：翅片管換熱器實際的換熱量(Qactual,fin)與大可能達到的換熱量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 計算得到。CFD 幾何模型采用兩排管翅片換熱器；邊界條件為空調蒸發器工況。在實際翅片模型中，翅片與管壁耦合；在理想翅片模型中，設置翅片溫度與管壁溫度相同。空氣上表面和下表面定義為周期性表面。根據CFD 計算結果，可以得到具有高翅片效率的翅片優高寬比Pt/Pl。
步驟2：優化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發器表面會形成一層冷凝液膜。當析濕較為嚴重時，窗片和橋片都會被這層液膜堵塞，導致其幾何結構類似于平片。因此，在設計中采用了平片的關聯式來確定翅片尺寸。
設計中，設定的優化目標函數以及約束條件函數見式（2）~（4）。優化目標函數用來分析性價比，見式（2）。式（3）~（4）為約束條件，即：小管徑換熱器的換熱性能（UA）應等于或大于規定值；空氣側壓降應等于或者小于規定值。
步驟3：優化翅片開縫結構
在翅片開縫結構的設計中，由于沒有適用于小管徑翅片換熱器的性能預測關聯式，因此本研究采用CFD 方法來模擬換熱器的換熱量和空氣壓降，從而確定優開縫結構。
在窗片的幾何結構參數中，開縫角度和開縫數是自變量，縫高與縫寬可根據兩個自變量確定。因此，只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數n 這兩個自變量進行優化設計。在橋片的幾何結構參數中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開縫數確定。因此，對橋片開縫翅片結構的設計，只需對開縫條數進行優化設計。基于CFD 計算結果，可確定具有較高換熱量和較低空氣壓降的翅片開縫結構。
步驟4：換熱器性能測試
小管徑換熱器性能的測試系統如圖2 所示。實驗中的測試工況根據房間空調器標準確定。根據實驗結果，采用多重線性回歸方法開發了小管徑換熱器性能的預測關聯式，并將其應用于制冷劑流路設計的仿真程序中。
2、制冷劑流路設計
在制冷劑流路設計中，采用基于仿真的方法進行設計。圖3 為基于仿真的制冷劑流路設計方法流程圖。設計中首先根據換熱器尺寸確定換熱器的預選結構，并根據換熱器性能及成本調整管路結構，然后計算調整后換熱器的性能，以確定下一步結構的調整方向，終確定換熱器管路結構。設計中采用基于知識的多目標優化方法，控制優化過程，得到優化結果。
本文采用基于圖論的三維分布式模型，預測具有不同流路換熱器的性能。Liu 建立的模型與實驗值的大偏差為±10%。在Liu 的模型中，沿長，寬，高三個方向將換熱器分割成若干個控制體。控制體包含了制冷劑，空氣和翅片換熱器三個部分。制冷劑與空氣的控制能量方程與動量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷劑側換熱面積；Ao 是空氣側換熱面積；Ga,max 是小流通面積處的空氣流率； fa 是空氣摩擦系數；σ 是流通積的收縮比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom 分別是從前排，后排，上列和下列翅片的傳熱量。
本文對換熱系數和壓降預測關聯式的選取如表1所示。
優化采用基于知識的優化方法（KBEM）用于優化換熱器。它包括兩個部分：改進遺傳算法（IGA）和基于知識的優化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統遺傳算法的改進版，IGA 可以得到初解并控制整個優化過程。采用基于知識的搜尋方法可以減少研究范圍，進而并可以提高優化效率。
三：設計案例
本章節將會采用前一章提出的設計方法來設計采用5 mm 管翅片管換熱器的空調器。空調器的實驗結果將與設計結果進行對比驗證。
在此案例中，室內機換熱器采用了5 mm 管翅片換熱器。室外機換熱器采用具有更大翅片間距的7 mm 管翅片換熱器，以防止熱泵工況時結霜導致的換熱性能惡化。
1、翅片結構設計結果
步驟1：確定優翅片高寬比Pt/Pl
設計Pt/Pl 時，CFD 計算的邊界條件設置如下：進口空氣溫度為300K，管壁溫度為280K。其他邊界條件同前一章。由圖4 所示的CFD 結果，可知優Pt/Pl 比值為1.23，此時翅片效率高。
步驟2：優化Pt和Pl
在翅片尺寸設計中，5 mm管翅片的UA應大于7 mm管翅片，5 mm管翅片換熱器的ΔP應小于7 mm管翅片換熱器。根據上述設計原則，翅片的性價比、傳熱效率和空氣壓降隨Pt的變化趨勢見圖5（a）~（c）。由結果可得：當Pt為18 mm時，w值較大，且滿足UA和ΔP的約束條件。根據優Pt/Pl值，可得到優翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優化翅片開縫結構
根據所確定的優翅片尺寸，利用CFD方法計算開3條縫的窗片和開4條縫的窗片的性能。圖6為具有不同開縫數的翅片表面空氣溫度分布圖。換熱量及空氣壓降的計算結果見表2。由計算結果可知：由于開縫數的增加導致縫高的降低，4條縫窗片具有更高的換熱量，和更低的空氣壓降。
翅片管式換熱器總傳熱計算
采用平壁導熱計算公式，總傳熱計算方程：
( l ）翅片材料的導熱系數為常數；
( 2 ）翅片厚度遠小于翅片高度與翅片寬度；
( 3 ）翅基溫度、翅周圍介質溫度、翅表面與周圍介質的對流傳熱系數均為常數；
( 4 ）翅端絕熱。
由于空氣側或煙氣側的換熱系數很低，因此我們一般采用翅片管。此外，當流體流過翅片管束時，須克服一定的流動阻力，因而會產生壓力降△P ，壓力降越大，說明消耗的動力越大。所以壓力降的計算也是一個應該關注的問題。
1 ．流體繞流翅片管束時的管外換熱系數
換熱系數是指當流體流過固體壁面時，單位時間，單位面積，單位溫差時的換熱量。應注意，這兒說的單位溫差是指固體壁面和流體之間的溫差。換熱系數我們用 h 來表示，其單位是： W /（㎡.℃）。翅片管的排列有順排和叉排之分，由于順排和叉排時流體的流動狀態不同，因而其換熱系數的計算式是不同的。
順排流動叉排流動所有翅片管束管外換熱系數的計算式都是由實驗得出來的，實驗中要考慮很多因素的影響，因而所得出的結果又叫實驗關聯式。不同研究者進行的實驗可能會得出形式上不同的實驗關聯式，但在同一條件下的計算結果應該是相近的。我們的任務就是選擇信得過的關聯式進行計算。
這里 Briggs和 Young 的實驗關聯式。他們曾對十多種環形翅片管束進行了實驗研究，所有的實驗管束都是叉排排列，管心距呈等邊三角形布置。其標準誤差在5％左右。下面只介紹對于高翅片管束的實驗結果：
式中，
df , db ：翅片外徑和基管直徑；
Y , H ：翅片間隙和高度；
入，μ和 Pr 分別為流體的導熱系數，粘度系數和普朗特數。
根據流體溫度查流體物性表得到；式中的 Gmax 是流體在窄截面處的質量流速，單位是 Kg /（㎡.s) . 所謂窄截面是指相鄰兩翅片管之間夾縫中的截面。由上式可知，影響換熱系數 h 大的因素是流速，與 Gmax 的0.718次方成正比。如何應用這一關聯式進行計算，后面將通過一個例題加以說明。
2．流體繞流翅片管束的流動阻力
Robinson 和 Briggs 對十多種叉排環形翅片管束進行了等溫條件下的流動阻力測試。實驗范圍是：
上式中， K 是縱向管排數， f 是摩擦系數，是一個無因次數。對于按等邊三角形排列的管束，由下面的實驗關聯式計算：
由上兩式可見，影響翅片管束壓力降△P的主要因素是：
是流速，與Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；
第二是管間距，幾乎與 Pt 的一次方成反比。
所以，為了降低阻力，可以選用較大的管問距和降低流體的流
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換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開,彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進行換熱,換熱后理論上應變成同溫同壓的混合介質流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過由蓄熱體組成的流道。當熱流體流過時,把熱量儲存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復進行。
下面我們主要談的是間壁式換熱器，通過實驗數據對其進行熱力對比計算。
提高換熱器換熱性能的途徑
傳熱方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主題方向是提高傳熱系數K。對強制循環空氣冷卻器,采取有效措施降低空氣側的傳熱熱阻或在制冷劑側采用選擇供液方式,控制供液量,或采用傳熱管可明顯提高傳熱系數。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數,但流動阻力也相應增大,因此通過增大流體的流速以增強傳熱系數K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現,但增加傳熱面積不應靠加大整體設備的尺寸來實現,而應從設備的自身結構來考慮。
增加傳熱面積總體上分為兩種途徑:管外表面的擴大和管內表面積的擴大。
目前管外表面積的增加主要是在管外加翅片或擴展表面即肋化表面,它是通過附加肋片擴大傳熱面積來減少對流換熱熱阻,從而達到強化傳熱的目的。
可通過下列途徑來增大設備單位體積的有效傳熱面積:
①傳遞面采用擴展面,如在對流傳熱系數較小一側的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘等;
②增大原有熱傳遞表面,如將表面處理成憎水性覆蓋層、多孔性覆蓋層、雙波紋狀管等
③在換熱器中管子的強化方面主要是異型管的開發,從而達到增加傳熱面積的目的。異型管的種類包括螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
強化換熱器換熱的方法及熱力計算
通過對翅片管式換熱器的結構進行改進與優化設計,然后對其換熱性能與改進前換熱器進行對比計算,結果是改進后的換熱器的傳熱系數得到了提高。
一、調整換熱器的翅片間距,設計成為變翅片間距。
1、設計原理
本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統中的蒸發器(在0 ℃及其以下條件工作時,翅片盤管外表面溫度等于或低于濕空氣的露點溫度時，由于在低溫工況下工作的蒸發器表面存在結霜問題,且蒸發器前幾排管子的結霜較嚴重,而后幾排管子的結霜相對較輕,因而可采用變間距的翅片設置,亦即沿風向片距越來越小。霜開始形成時表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時氣體流速也增大,從而導致在結霜初期傳熱系數K 增大,但隨著霜層的不斷增厚傳熱熱阻增加,終導致傳熱系數K 減小,結霜對換熱器性能的影響表現在降低其傳熱系數和增大其阻力兩方面,合理的換熱器結構應同時減小這兩方面的影響。
當氣流通過蒸發器時,由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管表面沉積,空氣由于除濕作用相對濕度降低,沿氣流方向翅片盤管表面結霜量是遞減的,如果采取變片距結構,可以在結霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長其沖霜時間。當蒸發器采用變翅片間距結構時,實際上已構成了翅片的錯列分布,當空氣橫掠錯列翅片時,翅片的交錯分布使得上游翅片對下游翅片有繞流作用,由于前面翅片的繞流,翅片的前半部分換熱加強,后面的翅片的分布又使得流道變窄,流速提高,翅片后半部分的換熱也得到強化。
2、變翅片間距的結構示意圖及對比計算
由于該改進方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認為是錯列翅片,因此在分析中可借用錯列翅片的理論。圖1 是所研究的流體縱掠錯列翅片的一個二維模型,翅片間距為H ,厚度為t 。
由于該結構形式實際為錯列翅片,當流體縱掠翅片時,氣流在上游翅片先受到擾動,因此在前幾排管上的翅片換熱加強,當氣流流經后幾排管子時,由于流通截面迅速變窄,流速提高,使流體在原有的基礎上又進一步受到擠壓,擾動更加劇烈,因此通過后加上的一組翅片,使換熱也得到了強化。
通過變翅片間距的結構改進,冷風機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下,在結霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數,且采用變翅片間距結構的冷風機比等翅片間距結構冷風機的傳熱系數提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的(圖2) 。
對于翅片管式換熱器,其傳熱系數的計算采用下列公式。
式中: hi ,h0為管內制冷劑和管外空氣側換熱系數(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內、外面積( m2 ) ; β為管內外面積比; ri , r0為管內、外表面的污垢系數( (m2·K) / W) ;λ為管壁導熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內/ 外徑(m) 。對于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統,經過結構改進,其熱力性能計算結果如表1 所示。
二、加強管內流體流動,管內壁加工變螺距內螺紋。
銅管外表面光滑,內表面有連續而細密的螺紋溝槽,稱為內螺紋管。因其增大了管材內表面的散熱面積,使銅管的散熱系數增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整體設備尺寸的前提下,增加其內表面換熱面積,加強管內流體的擾動,在原有換熱器的管內壁上加工變螺距內螺紋。
1、設計原理
當管內工質換熱系數較大而管外工質換熱系數較小時,管外的對流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴展表面,對于縮小換熱器體積,提高換熱器效率有很重要的作用。目前,已經開發出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開槽條形片、裂齒矩形翅片等。
管內表面積的增大主要集中在異型管的開發方面,綜觀各種不同形狀的強化管,其共同特點是在兼顧壓降的同時,傳熱面積都有不同程度的增加,并通過兩種機理提高其傳熱系數進行強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數提高的主要因素,它產生于靠近管壁的層流底層,并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙以及規則出現的溝槽、凸肋,會破壞貼壁層流狀態,抑制邊界層的發展。同時溝槽和凸肋對流體的限流作用有助于邊界層的減薄,而繞流作用使流體產生軸向旋渦,可致使邊界層分離,流體主體徑向溫度梯度減小,有助于熱量傳遞的進行。因此采用在已加工好的管壁內部加工變螺距內螺紋,不但可以擴大管子的內表面積,增加傳熱面積,并且由于管子不再是光管,內部有螺紋所以內壁變得粗糙,可以破壞層流邊界層,使管內的制冷劑的流態變成紊流,從而提高管內對流換熱系數。同時,因為采用變螺距,沿著流體流動方向螺距從大變小,這樣可增強流體的擾動,強化流體的換熱系數。
2、變間距內螺紋翅片管結構示意圖及對比計算
對等間距內螺紋翅片管換熱器管內螺紋進行改進,由于管內有規則、連續的凸肋和凹槽發生改變,使之內表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數增大3. 82 %,管內換熱系數也增加了4. 89 %。等間距與變間距內螺紋管結構示意圖如圖3、圖4 所示。
式中: f m為單位管長管子平均面積(m2 ) ; f i為單位管長管子內面積(m2) ; f 2為單位管長管子總外表面積(m2) ;αi為管內對流換熱系數(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調系統,當負荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結果如表2 所示。
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