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翅片管式換熱器總傳熱計算
采用平壁導(dǎo)熱計算公式，總傳熱計算方程：
二：翅片效率簡化計算前提
( l ）翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)；
( 2 ）翅片厚度遠(yuǎn)小于翅片高度與翅片寬度；
( 3 ）翅基溫度、翅周圍介質(zhì)溫度、翅表面與周圍介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)均為常數(shù)；
( 4 ）翅端絕熱。
由于空氣側(cè)或煙氣側(cè)的換熱系數(shù)很低，因此我們一般采用翅片管。此外，當(dāng)流體流過翅片管束時，須克服一定的流動阻力，因而會產(chǎn)生壓力降△P ，壓力降越大，說明消耗的動力越大。所以壓力降的計算也是一個應(yīng)該關(guān)注的問題。
1 ．流體繞流翅片管束時的管外換熱系數(shù)
換熱系數(shù)是指當(dāng)流體流過固體壁面時，單位時間，單位面積，單位溫差時的換熱量。應(yīng)注意，這兒說的單位溫差是指固體壁面和流體之間的溫差。換熱系數(shù)我們用 h 來表示，其單位是： W /（㎡.℃）。翅片管的排列有順排和叉排之分，由于順排和叉排時流體的流動狀態(tài)不同，因而其換熱系數(shù)的計算式是不同的。
順排流動叉排流動所有翅片管束管外換熱系數(shù)的計算式都是由實驗得出來的，實驗中要考慮很多因素的影響，因而所得出的結(jié)果又叫實驗關(guān)聯(lián)式。不同研究者進(jìn)行的實驗可能會得出形式上不同的實驗關(guān)聯(lián)式，但在同一條件下的計算結(jié)果應(yīng)該是相近的。我們的任務(wù)就是選擇信得過的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算。
這里 Briggs和 Young 的實驗關(guān)聯(lián)式。他們曾對十多種環(huán)形翅片管束進(jìn)行了實驗研究，所有的實驗管束都是叉排排列，管心距呈等邊三角形布置。其標(biāo)準(zhǔn)誤差在5％左右。下面只介紹對于高翅片管束的實驗結(jié)果：
式中，
df , db ：翅片外徑和基管直徑；
Y , H ：翅片間隙和高度；
入，μ和 Pr 分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，粘度系數(shù)和普朗特數(shù)。
根據(jù)流體溫度查流體物性表得到；式中的 Gmax 是流體在窄截面處的質(zhì)量流速，單位是 Kg /（㎡.s) . 所謂窄截面是指相鄰兩翅片管之間夾縫中的截面。由上式可知，影響換熱系數(shù) h 大的因素是流速，與 Gmax 的0.718次方成正比。如何應(yīng)用這一關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算，后面將通過一個例題加以說明。
2．流體繞流翅片管束的流動阻力
Robinson 和 Briggs 對十多種叉排環(huán)形翅片管束進(jìn)行了等溫條件下的流動阻力測試。實驗范圍是：
上式中， K 是縱向管排數(shù)， f 是摩擦系數(shù)，是一個無因次數(shù)。對于按等邊三角形排列的管束，由下面的實驗關(guān)聯(lián)式計算：
由上兩式可見，影響翅片管束壓力降△P的主要因素是：
是流速，與Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；
第二是管間距，幾乎與 Pt 的一次方成反比。
所以，為了降低阻力，可以選用較大的管問距和降低流體的流
換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開,彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進(jìn)行換熱,換熱后理論上應(yīng)變成同溫同壓的混合介質(zhì)流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過由蓄熱體組成的流道。當(dāng)熱流體流過時,把熱量儲存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當(dāng)冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復(fù)進(jìn)行。
下面我們主要談的是間壁式換熱器，通過實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行熱力對比計算。
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(cè)的傳熱熱阻或在制冷劑側(cè)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(yīng)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(yīng)靠加大整體設(shè)備的尺寸來實現(xiàn),而應(yīng)從設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)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(nèi)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(dá)到強化傳熱的目的。
可通過下列途徑來增大設(shè)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(cè)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(dá)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(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計,然后對其換熱性能與改進(jìn)前換熱器進(jìn)行對比計算,結(jié)果是改進(jìn)后的換熱器的傳熱系數(shù)得到了提高。
一、調(diào)整換熱器的翅片間距,設(shè)計成為變翅片間距。
1、設(shè)計原理
本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(在0 ℃及其以下條件工作時,翅片盤管外表面溫度等于或低于濕空氣的露點溫度時，由于在低溫工況下工作的蒸發(fā)器表面存在結(jié)霜問題,且蒸發(fā)器前幾排管子的結(jié)霜較嚴(yán)重,而后幾排管子的結(jié)霜相對較輕,因而可采用變間距的翅片設(shè)置,亦即沿風(fēng)向片距越來越小。霜開始形成時表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時氣體流速也增大,從而導(dǎo)致在結(jié)霜初期傳熱系數(shù)K 增大,但隨著霜層的不斷增厚傳熱熱阻增加,終導(dǎo)致傳熱系數(shù)K 減小,結(jié)霜對換熱器性能的影響表現(xiàn)在降低其傳熱系數(shù)和增大其阻力兩方面,合理的換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)同時減小這兩方面的影響。
當(dāng)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(jié)霜量是遞減的,如果采取變片距結(jié)構(gòu),可以在結(jié)霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長其沖霜時間。當(dāng)蒸發(fā)器采用變翅片間距結(jié)構(gòu)時,實際上已構(gòu)成了翅片的錯列分布,當(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖及對比計算
由于該改進(jìn)方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認(rèn)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(jié)構(gòu)形式實際為錯列翅片,當(dāng)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(dāng)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(chǔ)上又進(jìn)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(jié)構(gòu)改進(jìn),冷風(fēng)機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下,在結(jié)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(jié)構(gòu)的冷風(fēng)機比等翅片間距結(jié)構(gòu)冷風(fēng)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(dá)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(nèi)制冷劑和管外空氣側(cè)換熱系數(shù)(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內(nèi)、外面積( m2 ) ; β為管內(nèi)外面積比; ri , r0為管內(nèi)、外表面的污垢系數(shù)( (m2·K) / W) ;λ為管壁導(dǎo)熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內(nèi)/ 外徑(m) 。對于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統(tǒng),經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn),其熱力性能計算結(jié)果如表1 所示。
二、加強管內(nèi)流體流動,管內(nèi)壁加工變螺距內(nèi)螺紋。
銅管外表面光滑,內(nèi)表面有連續(xù)而細(xì)密的螺紋溝槽,稱為內(nèi)螺紋管。因其增大了管材內(nèi)表面的散熱面積,使銅管的散熱系數(shù)增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整體設(shè)備尺寸的前提下,增加其內(nèi)表面換熱面積,加強管內(nèi)流體的擾動,在原有換熱器的管內(nèi)壁上加工變螺距內(nèi)螺紋。
1、設(shè)計原理
當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)換熱系數(shù)較大而管外工質(zhì)換熱系數(shù)較小時,管外的對流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴展表面,對于縮小換熱器體積,提高換熱器效率有很重要的作用。目前,已經(jīng)開發(fā)出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開槽條形片、裂齒矩形翅片等。
管內(nèi)表面積的增大主要集中在異型管的開發(fā)方面,綜觀各種不同形狀的強化管,其共同特點是在兼顧壓降的同時,傳熱面積都有不同程度的增加,并通過兩種機理提高其傳熱系數(shù)進(jìn)行強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)提高的主要因素,它產(chǎn)生于靠近管壁的層流底層,并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙以及規(guī)則出現(xiàn)的溝槽、凸肋,會破壞貼壁層流狀態(tài),抑制邊界層的發(fā)展。同時溝槽和凸肋對流體的限流作用有助于邊界層的減薄,而繞流作用使流體產(chǎn)生軸向旋渦,可致使邊界層分離,流體主體徑向溫度梯度減小,有助于熱量傳遞的進(jìn)行。因此采用在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋,不但可以擴大管子的內(nèi)表面積,增加傳熱面積,并且由于管子不再是光管,內(nèi)部有螺紋所以內(nèi)壁變得粗糙,可以破壞層流邊界層,使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流,從而提高管內(nèi)對流換熱系數(shù)。同時,因為采用變螺距,沿著流體流動方向螺距從大變小,這樣可增強流體的擾動,強化流體的換熱系數(shù)。
2、變間距內(nèi)螺紋翅片管結(jié)構(gòu)示意圖及對比計算
對等間距內(nèi)螺紋翅片管換熱器管內(nèi)螺紋進(jìn)行改進(jìn),由于管內(nèi)有規(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變,使之內(nèi)表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數(shù)增大3. 82 %,管內(nèi)換熱系數(shù)也增加了4. 89 %。等間距與變間距內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、圖4 所示。
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(nèi)面積(m2) ; f 2為單位管長管子總外表面積(m2) ;αi為管內(nèi)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(diào)系統(tǒng),當(dāng)負(fù)荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結(jié)果如表2 所示。
空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也稱風(fēng)冷式冷凝器，制冷劑在管內(nèi)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(shù)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(fù)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(shè)備體積和質(zhì)量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統(tǒng)維護(hù)管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應(yīng)用十分廣泛，既可用于制冷系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。其大的優(yōu)點是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區(qū)或者供水困難的場合，在小型制冷空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。
3）蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式冷凝器是以蒸發(fā)冷凝和顯熱交換為基礎(chǔ)，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(nèi)流動，冷卻水在管外噴淋蒸發(fā)時吸收氣化潛熱，使管內(nèi)制冷劑冷卻和冷凝。蒸發(fā)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(tǒng)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(tǒng)的1/3左右。
我國蒸發(fā)式冷凝器的開發(fā)和應(yīng)用相對滯后，以往多應(yīng)用于大型的氨制冷系統(tǒng)。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發(fā)式冷凝器作為一種節(jié)能節(jié)水型換熱設(shè)備，其研究和應(yīng)用得到了廣泛重視，促進(jìn)了蒸發(fā)式冷凝器產(chǎn)品技術(shù)的成熟和進(jìn)一步應(yīng)用。目前，已有一些生產(chǎn)廠家在結(jié)構(gòu)上對其進(jìn)行了完善，使之應(yīng)用于中央空調(diào)機組。
對于那些需要進(jìn)行控制的冷凍空調(diào)系統(tǒng)和運行環(huán)境惡劣的場合，蒸發(fā)式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應(yīng)用表明，采用該產(chǎn)品替代傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)效益明顯。
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?zhèn)鹘o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(cè)介質(zhì)與換熱管內(nèi)、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術(shù)有:
(1)表面涂層；
(2)粗糙表面；
(3)擴展表面；
(4)各種內(nèi)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(shù)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(yīng)用。翅片管式換熱器具有傳熱、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，已被廣泛地應(yīng)用于制冷空調(diào)裝置、航空航天設(shè)備、太陽能集熱器和電子設(shè)備等各個領(lǐng)域中。在冷凝器中的應(yīng)用尤為普遍。
翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現(xiàn)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(zhì)、用途等幾個方面對翅片管進(jìn)行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。
1）內(nèi)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(yīng)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(xiàn)。與光管相比，它們具有下述共同特點：
(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(shù)，使換熱得到不同程度的強化；
(2)在負(fù)荷一定的條件下，冷凝器所需面積可大大減小；
(3)根據(jù)大多數(shù)人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結(jié)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(xiàn)離散的鱗片狀，設(shè)備運行中溫度的變化使管子發(fā)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(zhì)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(jié)垢情況并不比光管嚴(yán)重多少。
冷凝器的應(yīng)用范圍十分廣闊，特別是在制冷空調(diào)系統(tǒng)中。冷凝器作為主要的傳熱設(shè)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(shè)備的整體性能，通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內(nèi)外冷凝器發(fā)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(tǒng)，它是一種新型的傳熱元件。其獨特的片型結(jié)構(gòu)和加工工藝流程，使得空冷器產(chǎn)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。
翅片管的傳熱系數(shù)受到翅片結(jié)構(gòu)(翅高、翅厚、翅片間距) 、翅片材質(zhì)、管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)的綜合影響。本文我們將通過試驗研究的方法,分別對結(jié)構(gòu)基本相同的鋁翅片和黃銅翅片的兩個套片式換熱器試件進(jìn)行試驗。分析翅片材質(zhì)對于套片式換熱器傳熱性能與空氣流動阻力性能的影響，本文實驗結(jié)果表明：銅翅片換熱器優(yōu)勢明顯。
1)、軋制成型翅片管（extruded fin tube）；
2)、焊接成型翅片管（高頻焊翅片管、埋弧焊翅片管）；
3)、滾壓成型翅片管；
4)、套裝成型翅片管；
5)、鑄造翅片管；
6)、張力纏繞翅片管；
7)、鑲片管。
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