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試驗時,試件的管內通熱水,管外空氣橫掠。水的進、出口溫度和空氣的進口溫度由精密水銀溫度計測量,水的流量由轉子流量計測量。空氣的進、出口溫度由布置在試驗段前后流通截面上的熱電偶堆測量,空氣的流量由畢托管測量。在試件前后的風道上裝有測壓管,測量兩處的靜壓壓差,即可得到空氣流動阻力。通過擬合曲線分離法得到管外換熱準則關系式,采用線性回歸方法可得到管外流體流動阻力準則關系式。
為了保證試驗數據的可靠性,對每個工況的試驗數據都要進行熱平衡η的校驗。如果|η|<5%,認為試驗數據可靠;如果|η|≥5%, 則認為試驗數據不可靠,需重新進行測試。熱平衡η的計算方法如下。熱流體的放熱量Q1和冷流體的吸熱量Q2可分別表示為:
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試驗時,保持管內水流量及進口水溫基本不變,改變空氣的流量,得到一系列工況點數據。
空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也稱風冷式冷凝器,制冷劑在管內冷凝,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,故而設備體積和質量均龐大,占地大。但是可冷熱兩用,初投資低,系統維護管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應用十分廣泛,既可用于制冷系統,也廣泛應用于空調系統。其大的優點是不需冷卻水,因此特別適用于缺水地區或者供水困難的場合,在小型制冷空調領域應用尤為廣泛。
3)蒸發式冷凝器
蒸發式冷凝器是以蒸發冷凝和顯熱交換為基礎,制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內流動,冷卻水在管外噴淋蒸發時吸收氣化潛熱,使管內制冷劑冷卻和冷凝。蒸發式冷凝器中,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的1/3左右。
我國蒸發式冷凝器的開發和應用相對滯后,以往多應用于大型的氨制冷系統。近年來,由于電力資源緊張和水資源匱乏,蒸發式冷凝器作為一種節能節水型換熱設備,其研究和應用得到了廣泛重視,促進了蒸發式冷凝器產品技術的成熟和進一步應用。目前,已有一些生產廠家在結構上對其進行了完善,使之應用于中央空調機組。
對于那些需要進行控制的冷凍空調系統和運行環境惡劣的場合,蒸發式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應用表明,采用該產品替代傳統的“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,經濟效益明顯。
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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傳給另一種流體的過程。工程實際中,強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術有:
(1)表面涂層;
(2)粗糙表面;
(3)擴展表面;
(4)各種內外螺紋管;
(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用。翅片管式換熱器具有傳熱、結構緊湊等特點,已被廣泛地應用于制冷空調裝置、航空航天設備、太陽能集熱器和電子設備等各個領域中。在冷凝器中的應用尤為普遍。
翅片管的種類很多,而且還在不斷涌現新的品種,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、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。與光管相比,它們具有下述共同特點:
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(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,使換熱得到不同程度的強化;
(2)在負荷一定的條件下,冷凝器所需面積可大大減小;
(3)根據大多數人的常識,粗糙的翅片管表面容易引起結垢;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,污垢也呈現離散的鱗片狀,設備運行中溫度的變化使管子發生膨脹和收縮,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,翅片管的結垢情況并不比光管嚴重多少。
冷凝器的應用范圍十分廣闊,特別是在制冷空調系統中。冷凝器作為主要的傳熱設備之一,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。
為了提高冷凝設備的整體性能,通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率,已成為國內外冷凝器發展的一種趨勢。柏恩翅片管換熱器所采用的緊湊型串片式管片系統,它是一種新型的傳熱元件。其獨特的片型結構和加工工藝流程,使得空冷器產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。
在翅片管和熱管設計的時候,一般翅片管側的換熱和流動是被關注的重點,甚至傳熱系數的計算和取值也主要依賴于翅片側的換熱。這容易造成一種錯覺:管內的流動和換熱似乎是不怎么重要了,似乎在設計中可以不用考慮了。
事實上,這是不對的。我們既要考慮管內的流動和換熱,還要保證管內的流體具有足夠高的換熱系數和合理的流動條件。我們要從如下問題來考慮。
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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的相變過程。
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二、管內流體管程的考慮
對單相流體(如水),一般應保證管內平均流速在1m/s左右,要通過合理的管程布置來調節管內的流速,所謂管程是指管內流體在換熱器中走幾個來回,管程數目越多,則每個管程“分攤”的管子數目越少,則管內流速就越高。如上面的附圖所示,從水入口到水出口,水在管內走了六個來回,即管程數目為6。
每一個管程對應一排翅片管。對于管內流量特別小的場合,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。應當注意,對于管內為相變換熱(蒸發或凝結)的場合,一般只取一個管程就可以了。
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三、關于翅片管束的分組處理
關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險,則應將其單獨設為一組,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計處理,如下圖所示:
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四、小結
作為階段小結,下面提出設計的幾點經驗,供參考:
(1)翅片管換熱器和其他型式的換熱器一樣,設計的成功與否,50%(甚至更高)取決于經驗,而經驗是在工程項目設計實踐中獲得的。如果參與了10項以上的工程設計,算作稍有經驗;參與了20項以上的工程設計,可稱作比較有經驗,而如果參與過30項以上的設計,則可認為是相當有經驗了。
(2)成功的經驗和不怎么成功的經驗同等重要,若發現設備運行后,實測熱負荷遠遠偏離設計值,就算不怎么成功,要分析原因;若發現翅片管管子的積灰,腐蝕嚴重,或出現其他沒有預料到的情況,雖然能運行,也算不怎么成功,也應從設計上找原因;若出現問題,則屬于失敗的設計,因為“”具有一票否決權,更要仔細地調查分析發生的原因。
(3)為了做到設計的成功,或不出現大的失誤,重要的莫過于設計前的現場調查和取證。尤其是翅片管多作為余熱回收設備應用,是在主設備上“附加”的節能設備,所以,地掌握主設備的運行情況和現場的環境是至關重要的。
管式爐對流室爐管內介質的傳熱系數一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數。釘頭管和翅片管就是用來強化管外對流傳熱的。為了避免過多積灰而影響傳熱效果,除必燒油和油氣混燒時應設置吹灰器外,還應按照表-1的使用范圍正確選用釘頭管或翅片管。必須說明的是對流室煙氣入口處的2-3排爐管,既接受輻射室的輻射傳熱,又吸收高溫煙氣的對流傳熱,爐管表面熱強度很高,有時甚至超過輻射管的熱強度。這兩三排爐管通稱為遮蔽管,只能采用光管,而不得采用釘頭管和翅片管。
表1 釘頭管和翅片管使用范圍
釘頭和翅片的材質應根據計算的釘頭和翅片尖端溫度按表-2選用。另外還應考慮釘頭和翅片材質的熱膨脹系數應與爐管相同或相近,以避免多次開停工后釘頭或翅片從管壁剝離。
表2 釘頭和翅片材料高使用溫度
釘頭與爐管的焊接一般采用埋弧火花焊或電阻焊。翅片與爐管的焊接一般采用高頻焊或釬焊。當爐管材質是鉻鉬鋼或釘頭、翅片是鉻鉬鋼和鉻鋼時,應采用焊前預熱和焊后保溫緩冷的措施,以避免焊根開裂。由于釘頭焊接時的熱應力較大,當管內被加熱的是高腐蝕性介質時,釘頭管焊接完畢后應進行應力退火處理。
釘頭管和翅片管制造完畢后應進行強度水壓試驗,由于釘頭和翅片與爐管焊接時可能損傷爐管外壁,因此計算釘頭管和翅片管的水壓試驗壓力時,管壁厚度應減去一個減薄的厚度δ:埋弧火花焊釘頭管δ=3mm;高頻焊翅片管δ=1.5mm。
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