以下是:遼寧省鞍山市翅片管供應商-長期合作的產品參數
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對于燃氣熱水器，換熱器管子外側流動的是高溫煙氣，內側流動的是冷水。試驗表明，煙氣側的熱阻明顯高于水側的熱阻，因此通常在管子表面設置翅片增加換熱面積，以提高換熱效率。目前，常用的翅片管束主要分為3類：單管外翅片管束，單根圓管外側加裝翅片所構成的翅片管束；連續翅片管束，在整塊薄金屬板（翅片）上，按管子排列形式（順排、叉排）沖孔，然后用專用設備將沖孔后的金屬薄板逐片套在圓管上，再采用脹管或釬接方法連接；管帶式翅片管束，由波帶形翅片與扁管相間疊合而成，即在一條波形帶狀翅片的脊背上，沿垂直于氣流方向，貼置若干根扁管，翅片與扁管采用釬接方法連接。本文選取連續翅片管束，采用CFD軟件，在管子內流體為定溫度條件下，對非翅片表面煙氣流道內煙氣、翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。
1 模擬方法
1.1 控制方程與數學模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物質量守恒方程、組分質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，由于換熱管外煙氣中水分未發生凝結，煙氣組成不會發生變化，因此不需考慮組分質量守恒方程。
1.2 物理模型
燃燒產生的高溫煙氣向上沖刷翅片管束，通過對流傳熱將熱量傳遞給管子內的冷水。對非翅片表面煙氣流道內煙氣與翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。考慮到計算的時間與成本，數值模擬只針對單個連續翅片進行研究，計算區域寬×高×厚為126.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直徑為14.5 mm，翅片厚度為0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有沖孔。采用Cero軟件（三維設計制圖軟件）建立物理模型（見圖1），并采用Gambit軟件對物理模型進行網格劃分，網格生成后，用網格檢查器檢查網格的質量，劃分網格后的物理模型見圖2，網格數量為719 625 個
1.3 邊界條件
①入口邊界條件
入口為速度邊界，在FLUENT軟件中定義速度邊界的方法有3種：種是將速度視為速率的值與一個單位方向矢量的乘積，然后通過定義速率的值和方向矢量分量來定義速度邊界；第二種是將速度視為3個坐標方向上的分量的矢量和，然后通過分別給定3個分量大小來定義速度邊界；第三種是設定速度垂直于邊界面，然后給定速率的值就可以定義速度邊界。
由于煙氣流動方向與物理模型底面垂直，因此采用第三種定義速度邊界的方法。煙氣的進口速度為4.215 m/s，溫度為1 250 K，湍流強度為3%，煙氣的組成見表1。
②出口邊界條件
出口邊界條件為壓力邊界條件，出口壓力（表壓）設置為0。物理模型出口湍流強度為3%。
③壁面熱邊界條件
物理模型外壁面選用對稱壁面邊界條件，無熱流，無氣流，管子內壁面選用流固耦合熱邊界條件。
④管內流體條件
管內流體溫度設定為350 K。
2 數值模擬結果及分析
2.1 煙氣溫度分布
非翅片表面煙氣流道內煙氣溫度分布見圖3，翅片表面煙氣溫度分布見圖4。由圖3可知，非翅片表面煙氣流道底部煙氣溫度為1 250 K，煙氣流過管子時溫度下降，出口煙氣溫度分布比較均勻，分布范圍為500~750 K。由圖4可知，翅片表面煙氣溫度分布基本對稱，管子周圍的煙氣溫度低（為505 K），翅片邊緣的煙氣溫度高（為590 K）。由圖3、4可知，在管子錯排布置條件下，煙氣與管子能夠實現較好的換熱。煙氣流道出口處煙氣溫度的分布比較均勻，對后續的煙氣處理也非常有利。文獻［3］的研究表明，與順排布置相比，管子錯排布置可大幅改善煙氣與管子傳熱條件下的流動工況，增強了換熱效果。由此可知，模擬結果與文獻［3］的研究結果基本一致。2.2 煙氣速度分布非翅片表面煙氣流道內煙氣速度分布見圖5。文獻［4-5］研究表明，對于平翅片管束，當煙氣繞過管子流動時，管子表面附近易形成很薄的邊界層旋渦區，流動到管子后部表面分離，伴隨旋渦從管子表面脫落，并在煙氣出口區域形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區。尾流區內煙氣的循環流動使得管子周圍煙氣溫度下降速率減緩，此外隨著煙氣沿平翅片表面的平直通道向前流動，邊界層由于無附加擾動而逐漸增厚，使得局部換熱系數沿程降低。為改善上述問題，可通過在管子上方的翅片沖孔［1］47，破壞尾流區形成的邊界層，從而改善平翅片管束的換熱環境，還可降低翅片用料。由圖5可知，管子后部并未形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區。
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。
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。
管子兩側的換熱系數如果相差很大，則應該在換熱系數小的一側加裝翅片。
：鍋爐省煤器，管內走水，管外流煙氣，煙氣側應采用翅片。
：空氣冷卻器，管內走液體，管外流空氣，翅片應加在空氣側。
：蒸汽發生器，管內是水的沸騰，管外走煙氣，翅片應加在煙氣側。
應注意，在設計時，應盡量將換熱系數小的一側放在管外，以便于加裝翅片。
如管子兩側的換熱系數都很小，為了強化傳熱，應在兩側同時加裝翅片，若結構上有困難，則兩側可都不加翅片。在這種情況下，若只在一邊加翅片，對傳熱量的增加是不會有明顯效果的。
：傳統的管式空氣預熱器，管內走空氣，管外走煙氣。因為是氣體對氣體的換熱，兩側的換熱系數都很低，管內加翅片又很困難，只好用光管了。
：熱管式空氣預熱器，雖然仍是煙氣加熱空氣，但因煙氣和空氣都是在管外流動，故煙氣側和空氣側都可方便地采用翅片管，使傳熱量大大增加。
如果管子兩側的換熱系數都很大，則沒有必要采用翅片管。
：水/水換熱器，用熱水加熱冷水時，兩側換熱系數都足夠高，就沒有必要采用翅片管了。但為了進一步增強傳熱，可采用螺紋管或波紋管代替光管。
：發電廠冷凝器，管外是水蒸汽的凝結，管內走水。兩側的換熱系數都很高，一般情況下，無需采用翅片管。
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