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在翅片管和熱管設(shè)計的時候，一般翅片管側(cè)的換熱和流動是被關(guān)注的重點，甚至傳熱系數(shù)的計算和取值也主要依賴于翅片側(cè)的換熱。這容易造成一種錯覺：管內(nèi)的流動和換熱似乎是不怎么重要了，似乎在設(shè)計中可以不用考慮了。
事實上，這是不對的。我們既要考慮管內(nèi)的流動和換熱，還要保證管內(nèi)的流體具有足夠高的換熱系數(shù)和合理的流動條件。我們要從如下問題來考慮。
一、翅片管的放置形式
是立放，橫向，還是傾斜放置。如下圖所示，因為只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情況下管內(nèi)的相變過程。
二、管內(nèi)流體管程的考慮
對單相流體（如水），一般應(yīng)保證管內(nèi)平均流速在1m/s左右，要通過合理的管程布置來調(diào)節(jié)管內(nèi)的流速，所謂管程是指管內(nèi)流體在換熱器中走幾個來回，管程數(shù)目越多，則每個管程“分?jǐn)偂钡墓茏訑?shù)目越少，則管內(nèi)流速就越高。如上面的附圖所示，從水入口到水出口，水在管內(nèi)走了六個來回，即管程數(shù)目為6。
每一個管程對應(yīng)一排翅片管。對于管內(nèi)流量特別小的場合，甚至可以做到每1支管或兩支管作為一個管程；對于管內(nèi)流量特別巨大的場合，可以選擇1排或幾排管作為一個管程。應(yīng)當(dāng)注意，對于管內(nèi)為相變換熱（蒸發(fā)或凝結(jié)）的場合，一般只取一個管程就可以了。
三、關(guān)于翅片管束的分組處理
關(guān)于翅片管束的分組處理，我們需要多方考慮。
分組布置的好處在于：
* 可使箱體分段加工，便于安裝和運輸；
* 可以安裝吹灰孔和吹灰器；* 便于管束的檢修和更換；
例如：若后幾排管有露點腐蝕的風(fēng)險，則應(yīng)將其單獨設(shè)為一組，便于拆檢和更換。
如果在煙氣的流動方向上，我們就該這樣來進行設(shè)計處理，如下圖所示：
四、小結(jié)
作為階段小結(jié)，下面提出設(shè)計的幾點經(jīng)驗，供參考：
（1）翅片管換熱器和其他型式的換熱器一樣，設(shè)計的成功與否，50%（甚至更高）取決于經(jīng)驗，而經(jīng)驗是在工程項目設(shè)計實踐中獲得的。如果參與了10項以上的工程設(shè)計，算作稍有經(jīng)驗；參與了20項以上的工程設(shè)計，可稱作比較有經(jīng)驗，而如果參與過30項以上的設(shè)計，則可認(rèn)為是相當(dāng)有經(jīng)驗了。
（2）成功的經(jīng)驗和不怎么成功的經(jīng)驗同等重要，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行后，實測熱負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計值，就算不怎么成功，要分析原因；若發(fā)現(xiàn)翅片管管子的積灰，腐蝕嚴(yán)重，或出現(xiàn)其他沒有預(yù)料到的情況，雖然能運行，也算不怎么成功，也應(yīng)從設(shè)計上找原因；若出現(xiàn)問題，則屬于失敗的設(shè)計，因為“”具有一票否決權(quán)，更要仔細(xì)地調(diào)查分析發(fā)生的原因。
（3）為了做到設(shè)計的成功，或不出現(xiàn)大的失誤，重要的莫過于設(shè)計前的現(xiàn)場調(diào)查和取證。尤其是翅片管多作為余熱回收設(shè)備應(yīng)用，是在主設(shè)備上“附加”的節(jié)能設(shè)備，所以，地掌握主設(shè)備的運行情況和現(xiàn)場的環(huán)境是至關(guān)重要的。
優(yōu)化設(shè)計方法包括兩部分：翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計和制冷劑流路設(shè)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(yīng)首先設(shè)計翅片結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計制冷劑流路。圖1 為優(yōu)化設(shè)計流程圖。1、翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計 在翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將采用CFD 方法對翅片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計主要分為如下5 個步驟：
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優(yōu)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(dá)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(diào)蒸發(fā)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(shè)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(jù)CFD 計算結(jié)果，可以得到具有高翅片效率的翅片優(yōu)高寬比Pt/Pl。
步驟2：優(yōu)化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發(fā)器表面會形成一層冷凝液膜。當(dāng)析濕較為嚴(yán)重時，窗片和橋片都會被這層液膜堵塞，導(dǎo)致其幾何結(jié)構(gòu)類似于平片。因此，在設(shè)計中采用了平片的關(guān)聯(lián)式來確定翅片尺寸。
設(shè)計中，設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件函數(shù)見式（2）~（4）。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)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(yīng)等于或大于規(guī)定值；空氣側(cè)壓降應(yīng)等于或者小于規(guī)定值。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結(jié)構(gòu)
在翅片開縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，由于沒有適用于小管徑翅片換熱器的性能預(yù)測關(guān)聯(lián)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(yōu)開縫結(jié)構(gòu)。
在窗片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)中，開縫角度和開縫數(shù)是自變量，縫高與縫寬可根據(jù)兩個自變量確定。因此，只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數(shù)n 這兩個自變量進行優(yōu)化設(shè)計。在橋片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開縫數(shù)確定。因此，對橋片開縫翅片結(jié)構(gòu)的設(shè)計，只需對開縫條數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。基于CFD 計算結(jié)果，可確定具有較高換熱量和較低空氣壓降的翅片開縫結(jié)構(gòu)。
步驟4：換熱器性能測試
小管徑換熱器性能的測試系統(tǒng)如圖2 所示。實驗中的測試工況根據(jù)房間空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)確定。根據(jù)實驗結(jié)果，采用多重線性回歸方法開發(fā)了小管徑換熱器性能的預(yù)測關(guān)聯(lián)式，并將其應(yīng)用于制冷劑流路設(shè)計的仿真程序中。
2、制冷劑流路設(shè)計
在制冷劑流路設(shè)計中，采用基于仿真的方法進行設(shè)計。圖3 為基于仿真的制冷劑流路設(shè)計方法流程圖。設(shè)計中首先根據(jù)換熱器尺寸確定換熱器的預(yù)選結(jié)構(gòu)，并根據(jù)換熱器性能及成本調(diào)整管路結(jié)構(gòu)，然后計算調(diào)整后換熱器的性能，以確定下一步結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向，終確定換熱器管路結(jié)構(gòu)。設(shè)計中采用基于知識的多目標(biāo)優(yōu)化方法，控制優(yōu)化過程，得到優(yōu)化結(jié)果。
本文采用基于圖論的三維分布式模型，預(yù)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?qū)Q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(cè)換熱面積；Ao 是空氣側(cè)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(shù)；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(shù)和壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式的選取如表1所示。
優(yōu)化采用基于知識的優(yōu)化方法（KBEM）用于優(yōu)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(yōu)化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統(tǒng)遺傳算法的改進版，IGA 可以得到初解并控制整個優(yōu)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(yōu)化效率。
三：設(shè)計案例
本章節(jié)將會采用前一章提出的設(shè)計方法來設(shè)計采用5 mm 管翅片管換熱器的空調(diào)器。空調(diào)器的實驗結(jié)果將與設(shè)計結(jié)果進行對比驗證。
在此案例中，室內(nèi)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(jié)霜導(dǎo)致的換熱性能惡化。
1、翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
設(shè)計Pt/Pl 時，CFD 計算的邊界條件設(shè)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(jié)果，可知優(yōu)Pt/Pl 比值為1.23，此時翅片效率高。
步驟2：優(yōu)化Pt和Pl
在翅片尺寸設(shè)計中，5 mm管翅片的UA應(yīng)大于7 mm管翅片，5 mm管翅片換熱器的ΔP應(yīng)小于7 mm管翅片換熱器。根據(jù)上述設(shè)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(jié)果可得：當(dāng)Pt為18 mm時，w值較大，且滿足UA和ΔP的約束條件。根據(jù)優(yōu)Pt/Pl值，可得到優(yōu)翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結(jié)構(gòu)
根據(jù)所確定的優(yōu)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(shù)的翅片表面空氣溫度分布圖。換熱量及空氣壓降的計算結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知：由于開縫數(shù)的增加導(dǎo)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。
空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也稱風(fēng)冷式冷凝器，制冷劑在管內(nèi)冷凝，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。這種冷凝器中有自然對流空氣冷卻式冷凝器和強制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數(shù)很低（25～35 W/m·2K），空冷式冷凝器的傳熱效率不如水冷式，冷凝溫度與冷凝壓力均較高。
另外，在換熱負(fù)荷一定的情況下，空冷式冷凝器所需傳熱面積比水冷式冷凝器大，故而設(shè)備體積和質(zhì)量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統(tǒng)維護管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應(yīng)用十分廣泛，既可用于制冷系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。其大的優(yōu)點是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區(qū)或者供水困難的場合，在小型制冷空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。
3）蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式冷凝器是以蒸發(fā)冷凝和顯熱交換為基礎(chǔ)，制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內(nèi)流動，冷卻水在管外噴淋蒸發(fā)時吸收氣化潛熱，使管內(nèi)制冷劑冷卻和冷凝。蒸發(fā)式冷凝器中，省去了冷卻水在冷凝器中的顯熱傳遞階段，使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度，可比水冷式冷凝器系統(tǒng)低3～5℃，從而大大降低壓縮機的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系統(tǒng)的1/3左右。
我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應(yīng)用相對滯后，以往多應(yīng)用于大型的氨制冷系統(tǒng)。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水型換熱設(shè)備，其研究和應(yīng)用得到了廣泛重視，促進了蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品技術(shù)的成熟和進一步應(yīng)用。目前，已有一些生產(chǎn)廠家在結(jié)構(gòu)上對其進行了完善，使之應(yīng)用于中央空調(diào)機組。
對于那些需要進行控制的冷凍空調(diào)系統(tǒng)和運行環(huán)境惡劣的場合，蒸發(fā)式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應(yīng)用表明，采用該產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的“水冷式冷凝器+涼水塔”方式，增加的初投資一般能在一年左右即可收回，經(jīng)濟效益明顯。
2、冷凝器中常用的強化傳熱翅片管
傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面?zhèn)鹘o另一種流體的過程。工程實際中，強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側(cè)介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術(shù)有:
(1)表面涂層；
(2)粗糙表面；
(3)擴展表面；
(4)各種內(nèi)外螺紋管；
(5)擾流元件；
(6)添加物；
(7)沖擊傳熱。在各種強化傳熱技術(shù)中，在壁面上加裝翅片，作為增強傳熱的一個主要手段，在工程中得到廣泛應(yīng)用。翅片管式換熱器具有傳熱、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，已被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)裝置、航空航天設(shè)備、太陽能集熱器和電子設(shè)備等各個領(lǐng)域中。在冷凝器中的應(yīng)用尤為普遍。
翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現(xiàn)新的品種，在這方面的研究也較多[4～6]。大體上可按加工工藝、翅片形狀、材質(zhì)、用途等幾個方面對翅片管進行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。
1）內(nèi)螺紋管
2）整體型螺旋翅片管
3）螺旋槽管
螺紋類翅片管、套片式翅片管、波紋管、螺旋扭曲管、螺旋繞片管等傳熱元件在冷凝器中得到了廣泛的應(yīng)用，傳熱效果得到了顯著提高。除此之外，新齒形傳熱管還在不斷出現(xiàn)。與光管相比，它們具有下述共同特點：
(1)不同形狀的翅片均可使傳熱壁面變得粗糙，從而破壞靜止的層流邊界層，提高對流換熱系數(shù)，使換熱得到不同程度的強化；
(2)在負(fù)荷一定的條件下，冷凝器所需面積可大大減小；
(3)根據(jù)大多數(shù)人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結(jié)垢；事實上，由于粗糙表面引起的紊流破壞了靜止的附面層，會使污垢難于附著；即使有污垢附著，污垢也呈現(xiàn)離散的鱗片狀，設(shè)備運行中溫度的變化使管子發(fā)生膨脹和收縮，會因污垢與管壁材料間的脹差巨大而引起剝離，在介質(zhì)的沖擊下自行脫落。而光管垢層為圓柱體，無任何自脫力。因此，翅片管的結(jié)垢情況并不比光管嚴(yán)重多少。
冷凝器的應(yīng)用范圍十分廣闊，特別是在制冷空調(diào)系統(tǒng)中。冷凝器作為主要的傳熱設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響到裝置的總體工作性能。因此，冷凝器傳熱過程的強化得到了越來越廣泛的重視。
為了提高冷凝設(shè)備的整體性能，通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內(nèi)外冷凝器發(fā)展的一種趨勢。柏恩翅片管換熱器所采用的緊湊型串片式管片系統(tǒng)，它是一種新型的傳熱元件。其獨特的片型結(jié)構(gòu)和加工工藝流程，使得空冷器產(chǎn)品具有更加緊湊的外形尺寸，更高的換熱效率和更輕的重要。
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