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管子兩側的換熱系數(shù)如果相差很大,則應該在換熱系數(shù)小的一側加裝翅片。
:鍋爐省煤器,管內(nèi)走水,管外流煙氣,煙氣側應采用翅片。
:空氣冷卻器,管內(nèi)走液體,管外流空氣,翅片應加在空氣側。
:蒸汽發(fā)生器,管內(nèi)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(shù)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(shù)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(tǒng)的管式空氣預熱器,管內(nèi)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(shù)都很低,管內(nèi)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(shù)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(shù)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(fā)電廠冷凝器,管外是水蒸汽的凝結,管內(nèi)走水。兩側的換熱系數(shù)都很高,一般情況下,無需采用翅片管。
翅片管,是為了提高換熱效率,通常在換熱管的表面通過加翅片,增大換熱管的外表面積(或內(nèi)表面積),從而達到提高換熱效率的目的,這樣一種換熱管。
基本內(nèi)容
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翅片管,是為了提高換熱效率,通常在換熱管的表面通過加翅片,增大換熱管的外表面積(或內(nèi)表面積),從而達到提高換熱效率的目的,這樣一種換熱管。
分類1,按翅片結構特點劃分
根據(jù)翅形的形狀和構造,翅片管可分為以下種類:方翅管(Square finned tube)、螺旋翅片管(spiral finned tube) 、縱向翅片管(Longitudinal Finned Tube)等、螺旋鋸齒狀翅片管(Helical Serrated Finned Tubes)、內(nèi)翅片管(inner finned tube) ,
2,根據(jù)翅片管的翅片材質(zhì)是否與管體材質(zhì)相同可分為單金屬翅片管和雙金屬復合翅片管。
3, 按翅片管的不同加工工藝,翅片管可分為: 軋制成型翅片管(extruded fin tube)、焊接成型翅片管、 滾壓成型翅片管、 套裝成型翅片管。
主要性能要求翅片管作為換熱元件,長期工作于高溫煙氣的工況下,比如鍋爐換熱器用翅片管使用環(huán)境惡劣,高溫高壓且處于腐蝕性氣氛,這要求翅片管應具有很高的性能指標。
1) 防腐性能(Anti-corrosion)
2) 耐磨性能(Anti-wear)
3) 低的接觸熱阻(lower contact resistance)
4) 高的穩(wěn)定性(Higher Stability)
5) 防積灰能力
優(yōu)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(yōu)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(yōu)化設計。優(yōu)化設計主要分為如下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)與大可能達到的換熱量(Qideal,fin)之比,如式(1)所示。
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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(lián)式來確定翅片尺寸。
設計中,設定的優(yōu)化目標函數(shù)以及約束條件函數(shù)見式(2)~(4)。優(yōu)化目標函數(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)應等于或大于規(guī)定值;空氣側壓降應等于或者小于規(guī)定值。
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步驟3:優(yōu)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(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)開縫結構。
在窗片的幾何結構參數(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)化設計。在橋片的幾何結構參數(shù)中,縫高為翅片間距的一半,縫寬由開縫數(shù)確定。因此,對橋片開縫翅片結構的設計,只需對開縫條數(shù)進行優(yōu)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(tǒng)如圖2 所示。實驗中的測試工況根據(jù)房間空調(diào)器標準確定。根據(jù)實驗結果,采用多重線性回歸方法開發(fā)了小管徑換熱器性能的預測關聯(lián)式,并將其應用于制冷劑流路設計的仿真程序中。
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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(jù)換熱器尺寸確定換熱器的預選結構,并根據(jù)換熱器性能及成本調(diào)整管路結構,然后計算調(diào)整后換熱器的性能,以確定下一步結構的調(diào)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(yōu)化方法,控制優(yōu)化過程,得到優(yōu)化結果。
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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?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。
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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(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)和壓降預測關聯(lián)式的選取如表1所示。
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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:設計案例
本章節(jié)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(diào)器。空調(diào)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(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(yōu)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(yōu)Pt/Pl 比值為1.23,此時翅片效率高。
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步驟2:優(yōu)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(jù)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(jù)優(yōu)Pt/Pl值,可得到優(yōu)翅片尺寸為18×14.7 mm。
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步驟3:優(yōu)化翅片開縫結構
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果見表2。由計算結果可知:由于開縫數(shù)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。
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