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翅片管的傳熱過程，可用下面的圖解加以說明，并后推出傳熱系數(shù)的定義和表達式。為了方便討論，將圓管壁面簡化為平壁：對于管內為水的流動：hi≈5000 W/(㎡·℃), Ri=1/hi=0.0002 (㎡·℃)/W 設管壁厚度 δ=0.003m, 導熱系數(shù) λ=40 W/(m·℃ ) (對碳鋼)：管外為翅片管，設基管外表面的換熱系數(shù) ho=200 W/(㎡·℃), 由此可見，管壁導熱熱阻 Rw=δ/λ 很小，約占總熱阻的 1% 左右，可忽略之。為了設計，對翅片管傳熱，可取 f =0.8~0.9。主要考慮：管面的污垢和積灰是一項附加的熱阻，可使 R總增大，使傳熱系數(shù)有所下降。此外，系數(shù) f 也考慮了管內熱阻 Ri 及管壁熱阻 Rw 的影響。一般，f 值可按下表選取管。內為水的單相對流時管外有積灰管外無積灰管內為水的相變時 (沸騰和凝結)。特殊情況：若管內為制冷劑或碳/氫化合物的液體或相變時，可取 f =0.7 4.。
傳熱系數(shù)的估算表
根據(jù)簡化后的傳熱系數(shù) K 的計算式：K=ho×f；
翅片管管外換熱系數(shù)的換算式：ho=h×β×η氣體繞流翅片管束時的換熱系數(shù)和傳熱系數(shù)計算表：
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表中包括了目前常用的翅片管規(guī)格和常見的冷熱流體的情況，與的計算結果相比，誤差在±10% 左右，是可以接受的。
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(shù)K。對強制循環(huán)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(shù)。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數(shù),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(shù)K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現(xiàn),但增加傳熱面積不應靠加大整體設備的尺寸來實現(xiàn),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(shù)較小一側的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘?shù)?
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(fā),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(jié)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(yōu)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(shù)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
當氣流通過蒸發(fā)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(fā)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(jīng)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(shù),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(shù)提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數(shù)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(shù)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(shù)(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(shù)( (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(tǒng),經(jīng)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。
1、設計原理
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(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變,使之內表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數(shù)增大3. 82 %,管內換熱系數(shù)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 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(shù)(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(shù)(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調系統(tǒng),當負荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結果如表2 所示。
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