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在翅片管和熱管設計的時候,一般翅片管側的換熱和流動是被關注的重點,甚至傳熱系數的計算和取值也主要依賴于翅片側的換熱。這容易造成一種錯覺:管內的流動和換熱似乎是不怎么重要了,似乎在設計中可以不用考慮了。
事實上,這是不對的。我們既要考慮管內的流動和換熱,還要保證管內的流體具有足夠高的換熱系數和合理的流動條件。我們要從如下問題來考慮。
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一、翅片管的放置形式
是立放,橫向,還是傾斜放置。如下圖所示,因為只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情況下管內的相變過程。
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二、管內流體管程的考慮
對單相流體(如水),一般應保證管內平均流速在1m/s左右,要通過合理的管程布置來調節管內的流速,所謂管程是指管內流體在換熱器中走幾個來回,管程數目越多,則每個管程“分攤”的管子數目越少,則管內流速就越高。如上面的附圖所示,從水入口到水出口,水在管內走了六個來回,即管程數目為6。
每一個管程對應一排翅片管。對于管內流量特別小的場合,甚至可以做到每1支管或兩支管作為一個管程;對于管內流量特別巨大的場合,可以選擇1排或幾排管作為一個管程。應當注意,對于管內為相變換熱(蒸發或凝結)的場合,一般只取一個管程就可以了。
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三、關于翅片管束的分組處理
關于翅片管束的分組處理,我們需要多方考慮。
分組布置的好處在于:
* 可使箱體分段加工,便于安裝和運輸;
* 可以安裝吹灰孔和吹灰器;* 便于管束的檢修和更換;
例如:若后幾排管有露點腐蝕的風險,則應將其單獨設為一組,便于拆檢和更換。
如果在煙氣的流動方向上,我們就該這樣來進行設計處理,如下圖所示:
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四、小結
作為階段小結,下面提出設計的幾點經驗,供參考:
(1)翅片管換熱器和其他型式的換熱器一樣,設計的成功與否,50%(甚至更高)取決于經驗,而經驗是在工程項目設計實踐中獲得的。如果參與了10項以上的工程設計,算作稍有經驗;參與了20項以上的工程設計,可稱作比較有經驗,而如果參與過30項以上的設計,則可認為是相當有經驗了。
(2)成功的經驗和不怎么成功的經驗同等重要,若發現設備運行后,實測熱負荷遠遠偏離設計值,就算不怎么成功,要分析原因;若發現翅片管管子的積灰,腐蝕嚴重,或出現其他沒有預料到的情況,雖然能運行,也算不怎么成功,也應從設計上找原因;若出現問題,則屬于失敗的設計,因為“”具有一票否決權,更要仔細地調查分析發生的原因。
(3)為了做到設計的成功,或不出現大的失誤,重要的莫過于設計前的現場調查和取證。尤其是翅片管多作為余熱回收設備應用,是在主設備上“附加”的節能設備,所以,地掌握主設備的運行情況和現場的環境是至關重要的。
翅片管的傳熱過程
這兒講的“傳熱”不是通俗的對傳熱現象的一般稱呼,而是一個專有名詞。傳熱的定義是:熱量從熱流體經過管壁傳給冷流體的過程。如下一小節的附圖所示。傳熱過程由三個分過程組成:過程1:
熱量Q(W或KW)由熱流體傳給管壁(管內壁),這一過程屬“對流換熱”,其對流換熱系數為hi (W/(㎡·oC))。(此后,角標“i”代表“內部”,角標“o”代表“外部”,而角標 “w”代表管壁。),這一對流換熱過程對應的溫差為(Ti-Twi),此處,Ti為管內流體溫度,Twi為管內壁溫度。
過程2:熱量Q從管子內表面傳給管外表面,因為熱量是在固體內部傳遞,這一過程叫“導熱” 或“熱傳導”。此過程對應的溫差為(Twi- Two)。
程3:熱量Q從管外表面傳給管外冷流體的過程。這一過程屬“對流換熱”,對應的溫差為(Two- To), 其對流換熱系數為h o . 應當指出的是,此處,Two是基管的外表面溫度,因此,ho是以基管外表面積為基準的換熱系數。之前講述了翅片管外表面為基準的換熱系數h 的計算。兩個換熱系數ho和h的換算關系:ho= h×β×η
式中,β為翅化比,即加翅片后面積擴大的倍數;η為翅片效率,是小于1的數;
優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化設計。優化設計主要分為如下5 個步驟:
步驟1:確定優翅片高寬比Pt/Pl
在本文中,翅片優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;邊界條件為空調蒸發器工況。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CFD 計算結果,可以得到具有高翅片效率的翅片優高寬比Pt/Pl。
步驟2:優化Pt 和Pl
在制冷工況下,蒸發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式來確定翅片尺寸。
設計中,設定的優化目標函數以及約束條件函數見式(2)~(4)。優化目標函數用來分析性價比,見式(2)。式(3)~(4)為約束條件,即:小管徑換熱器的換熱性能(UA)應等于或大于規定值;空氣側壓降應等于或者小于規定值。
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步驟3:優化翅片開縫結構
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,從而確定優開縫結構。
在窗片的幾何結構參數中,開縫角度和開縫數是自變量,縫高與縫寬可根據兩個自變量確定。因此,只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數n 這兩個自變量進行優化設計。在橋片的幾何結構參數中,縫高為翅片間距的一半,縫寬由開縫數確定。因此,對橋片開縫翅片結構的設計,只需對開縫條數進行優化設計。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如圖2 所示。實驗中的測試工況根據房間空調器標準確定。根據實驗結果,采用多重線性回歸方法開發了小管徑換熱器性能的預測關聯式,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。設計中首先根據換熱器尺寸確定換熱器的預選結構,并根據換熱器性能及成本調整管路結構,然后計算調整后換熱器的性能,以確定下一步結構的調整方向,終確定換熱器管路結構。設計中采用基于知識的多目標優化方法,控制優化過程,得到優化結果。
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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,高三個方向將換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;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。
本文對換熱系數和壓降預測關聯式的選取如表1所示。
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優化采用基于知識的優化方法(KBEM)用于優化換熱器。它包括兩個部分:改進遺傳算法(IGA)和基于知識的優化模塊(KOM)。KBEM 中的IGA 是傳統遺傳算法的改進版,IGA 可以得到初解并控制整個優化過程。采用基于知識的搜尋方法可以減少研究范圍,進而并可以提高優化效率。
三:設計案例
本章節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器。空調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Pt/Pl 比值為1.23,此時翅片效率高。
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步驟2:優化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。根據優Pt/Pl值,可得到優翅片尺寸為18×14.7 mm。
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步驟3:優化翅片開縫結構
根據所確定的優翅片尺寸,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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管式爐對流室爐管內介質的傳熱系數一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數。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
釘頭和翅片的材質應根據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的熱膨脹系數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
釘頭與爐管的焊接一般采用埋弧火花焊或電阻焊。翅片與爐管的焊接一般采用高頻焊或釬焊。當爐管材質是鉻鉬鋼或釘頭、翅片是鉻鉬鋼和鉻鋼時,應采用焊前預熱和焊后保溫緩冷的措施,以避免焊根開裂。由于釘頭焊接時的熱應力較大,當管內被加熱的是高腐蝕性介質時,釘頭管焊接完畢后應進行應力退火處理。
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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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行換熱,換熱后理論上應變成同溫同壓的混合介質流出。
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,而當冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復進行。
下面我們主要談的是間壁式換熱器,通過實驗數據對其進行熱力對比計算。
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K。對強制循環空氣冷卻器,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,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
本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統中的蒸發器(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器表面存在結霜問題,且蒸發器前幾排管子的結霜較嚴重,而后幾排管子的結霜相對較輕,因而可采用變間距的翅片設置,亦即沿風向片距越來越小。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,從而導致在結霜初期傳熱系數K 增大,但隨著霜層的不斷增厚傳熱熱阻增加,終導致傳熱系數K 減小,結霜對換熱器性能的影響表現在降低其傳熱系數和增大其阻力兩方面,合理的換熱器結構應同時減小這兩方面的影響。
當氣流通過蒸發器時,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 。
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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,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提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的(圖2) 。
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對于翅片管式換熱器,其傳熱系數的計算采用下列公式。
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式中: hi ,h0為管內制冷劑和管外空氣側換熱系數(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( (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,經過結構改進,其熱力性能計算結果如表1 所示。
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二、加強管內流體流動,管內壁加工變螺距內螺紋。
銅管外表面光滑,內表面有連續而細密的螺紋溝槽,稱為內螺紋管。因其增大了管材內表面的散熱面積,使銅管的散熱系數增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整體設備尺寸的前提下,增加其內表面換熱面積,加強管內流體的擾動,在原有換熱器的管內壁上加工變螺距內螺紋。
1、設計原理
當管內工質換熱系數較大而管外工質換熱系數較小時,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,已經開發出了針狀翅片、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。
管內表面積的增大主要集中在異型管的開發方面,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進行強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數提高的主要因素,它產生于靠近管壁的層流底層,并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙以及規則出現的溝槽、凸肋,會破壞貼壁層流狀態,抑制邊界層的發展。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行。因此采用在已加工好的管壁內部加工變螺距內螺紋,不但可以擴大管子的內表面積,增加傳熱面積,并且由于管子不再是光管,內部有螺紋所以內壁變得粗糙,可以破壞層流邊界層,使管內的制冷劑的流態變成紊流,從而提高管內對流換熱系數。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。
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,由于管內有規則、連續的凸肋和凹槽發生改變,使之內表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數增大3. 82 %,管內換熱系數也增加了4. 89 %。等間距與變間距內螺紋管結構示意圖如圖3、圖4 所示。
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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(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調系統,當負荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結果如表2 所示。
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