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管式爐對流室爐管內(nèi)介質(zhì)的傳熱系數(shù)一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數(shù)。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(zhì)應根據(jù)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(zhì)的熱膨脹系數(shù)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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優(yōu)化設計方法包括兩部分：翅片結(jié)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(jié)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(jié)構設計 在翅片結(jié)構設計中，將采用CFD 方法對翅片結(jié)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。
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(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(jié)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(cè)壓降應等于或者小于規(guī)定值。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結(jié)構
在翅片開縫結(jié)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(jié)構。
在窗片的幾何結(jié)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(jié)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(jié)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(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。
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(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測關聯(lián)式，并將其應用于制冷劑流路設計的仿真程序中。
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(jié)構，并根據(jù)換熱器性能及成本調(diào)整管路結(jié)構，然后計算調(diào)整后換熱器的性能，以確定下一步結(jié)構的調(diào)整方向，終確定換熱器管路結(jié)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(jié)果。
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。
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)和壓降預測關聯(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(jié)果將與設計結(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)霜導致的換熱性能惡化。
1、翅片結(jié)構設計結(jié)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(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(jié)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。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結(jié)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(jié)果見表2。由計算結(jié)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。
【問題1】增加對流換熱一定要用翅片嗎？
問：用增加流速的辦法也可以有效地增加管外側(cè)的對流換熱，難道一定要用翅片管嗎？
答：是的，一定要用翅片管。因為用增加流速的辦法對增大對流換熱和傳熱的作用是有限的，而只有采用翅片管才可能大幅度地增強傳熱。請注意上面表格中每一個方框欄中所列舉的數(shù)據(jù)：其中，h的數(shù)值也可看作未加翅片時光管的對流換熱數(shù)值，當流速從1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）時，h的數(shù)值可從25 w/（㎡·℃）左右增加至70 w/（㎡·℃）以上，看起來流速增加的效果是顯著的。但請比較ho的變化，ho代表采用翅片以后，換算到光管外表面的換熱系數(shù)，當流速從1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）時，ho將從150 w/（㎡·℃）左右增加至400 w/（㎡·℃）。由此可見，翅片的作用是不可替代的。此外，還應考慮到，流速是不允許隨意增加的，流速過高會導致流動阻力的急劇上升，增加運行成本。
【問題2】關于傳熱公式問：傳熱公式Q = A K△T與其他局部過程的換熱計算式的區(qū)別在哪兒，傳熱公式有什么優(yōu)點？
答：傳熱公式是基于從熱流體到冷流體的整個傳熱過程推導出來的，而局部的換熱計算式，如管外部的對流換熱式Q=A ho (Two-To)僅適用于這一特定的局部換熱過程。
傳熱公式的大優(yōu)點在于其傳熱溫差△T=Ti-To是熱流體和冷流體之間的溫度差。眾所周知，流體的溫度是比較容易測量和獲取的；而任何一個局部的換熱式中都包含了壁面溫度(Two或 Twi)。壁面溫度的測量是很困難的，在一個大的換熱設備中，要測量、獲取它的壁面平均溫度幾乎是不可能的。
【問題3】為什么要重視換熱系數(shù)ho？問：既然傳熱系數(shù)K與三個局部過程的特性有關: 答：這是因為翅片側(cè)的“熱阻”大，唯有它對整個傳熱過程起到“控制”作用。在翅片管傳熱的應用條件下，假定管內(nèi)是水的單相流動或水的相變過程（沸騰或凝結(jié)），管內(nèi)的換熱系數(shù)hi在5000~10000之間，而管外翅片側(cè)的換熱系數(shù)ho在150~400之間。兩者相差是很懸殊的。所以其熱阻（1/ho）將起到控制作用，總熱阻僅比它大一點點。因而傳熱系數(shù)K的數(shù)值總是接近ho的數(shù)值，且總是小于ho的數(shù)值
【問題4】掌握翅片換熱器設計應牢記什么？下面幾個簡單的概念或基本公式是應該記住的，這對掌握翅片管換熱器的設計方法是至關重要的。
1）傳熱過程是熱量由熱流體通過管壁傳給冷流體的整個過程，它由三個局部過程組成。
2）傳熱公式Q = A K△T ，一定要牢記。不論對所有型式的換熱器的設計，還是對翅片管換熱器的設計，它是形式簡單，但是重要的公式，它是所有計算式中的 №1 ！
3）之所以稱上述公式重要，因為換熱器的傳熱面積A就是由這一傳熱公式計算出來的：
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