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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。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數,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K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現,但增加傳熱面積不應靠加大整體設備的尺寸來實現,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。
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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,如在對流傳熱系數較小一側的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘等;
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。
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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 λ=40 W/(m·℃ ) (對碳鋼):管外為翅片管,設基管外表面的換熱系數 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,使傳熱系數有所下降。此外,系數 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.。
傳熱系數的估算表
根據簡化后的傳熱系數 K 的計算式:K=ho×f;
翅片管管外換熱系數的換算式:ho=h×β×η氣體繞流翅片管束時的換熱系數和傳熱系數計算表:
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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。
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下面舉幾個傳熱過程的實例:
【例1】:一個蒸汽加熱器,用管內的蒸汽加熱翅片管外的空氣,這是一個典型的傳熱過程:熱量從管內的熱流體(蒸汽的凝結)通過翅片管的管壁傳給冷流體(空氣)。
【例2】:某一翅片管式鍋爐省煤器,熱量從管外流動的高溫煙氣通過管壁傳給管內的冷流體——水,這也是一個典型的傳熱過程。
【例3】:家用暖氣片,暖氣片內流動的是熱水,暖氣片外是室內空氣的自然對流。從內部的熱水通過暖氣壁面?zhèn)鹘o冷流體——空氣的過程是一個典型的傳熱過程。
應當指出,在穩(wěn)定狀態(tài)下,傳熱量Q在任一分過程中保持同一數值,即傳入的Q值等于傳出的Q值。所謂穩(wěn)定狀態(tài),是指系統和設備的各點溫度不隨時間而變化時的狀態(tài)。
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