翅片管换热器传热性能及强化分析

得不少成果， 如通过增加肋片、 增强流体扰流等提高 传热能力等等。从早期的铸铁式换热器开始， 人们就 设法提高肋片的高度，减小肋片的厚度以提高传热 能力， 但是受制造水平和工艺的影响， 肋片的高度和 厚度已被限制在一定尺度。随着制造水平和加工工
!""# 年 $! 月刊
艺的提高，发展了各种更高效的肋片。在空调行业 中， 象光管绕铝翅片、 皱折翅片、 镶片、 轧片、 套片、 串 片等翅片管式换热器渐渐形成了行业的主力 产 品 。 随着我国空调行业的成熟，各厂家为了追求更大的 利润空间，如何在现有的条件下生产出传热性能更 好的翅片管换热器， 便成为一个重要的问题。本文通 过对现有空调行业中常见的空气处理机用铜管铝串
—— %I—接触效率， /2F=；
JKI 翅 片 外 侧 圆 管 部
换热热阻的降低， 同样也可以使换热性能得到提高 。 分表面积， ,#； 如 图 = 所
JKI && A)G ;#LMC :! N
（ !///／"5） LM< （ !/） 其中， 管外径； )G： —— LM—翅片厚度； —— "5—翅片间ｎｎｅｄ－ｔｕｂｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ． ｏｖｅｒａｌｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｅｒ
:".;290 ｆｉｎｅｄ－ｔｕｂｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
０
引言 人们对换热器的强化传热方法的研究，早已取
中央空调终端产品空气处理机上常用的铜管铝 串片结构如图 １ 所示。铜管采用 !!"#$%&，铜管叉 如图 *。翅片材质为铝翅片， 厚度 排， 管间距 ’())， 和翅片间距各厂家有所不同，此处以大连某空调设
#
定性分析翅片管换热器传热性能 首先，我们从理论上定性探讨翅片管换热器的
传热表面来破坏原来未强化的流体速度和温度分布 场。 层流的换热热系数比较低，通常比较经济的强 化措施是产生涡流或变为紊流。同时提高流速后， 能 减少管内壁积垢， 减少污垢热阻。 在紊流中传热热阻主要来自于层流底层， 热边界 层 ; 和管径 < 的比值为 ;／<)1$=>0!"?@$
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翅片管换热器运行中， 铜管内走工质水， 换热形 式为管内流体强制对流换热， 外侧为空气， 换热形式 为流体横掠圆管的强制对流。管内侧水的换热过程 中没有相变， 属于单相换热， 该情况下换热器单根管 每米长的换热量为：
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忽略管壁热阻和污垢热阻，相对于管外壁面的 传热系数为：
/0+ $1#21，!3： !4$4#$$ 5!／6%・ 78 $,$-#..，
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表２
管内水速 ０．６ｍ ／& 翅片间距 !#(%% 时， 各迎面风速下的传热系数
风速 传热系数 Ｋ 空气侧换热系数 !ｏ 翅片 翅片管外表 肋化 （ 效率 "ｔ 面积 Ｆ （ ・ ・ ｍ／ｓ ）［ｋＷ／（ ｍ ２ !）］ ［ｋＷ／（ ｍ ２ !）］ ｍ ２）系数 #
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其中， —— S!—管间距， /2/+3,； 管排间距， S#： /2/++,。 根据以上计算方法， 我们分别对应空气侧、 水侧 的不同状况对传热系数进行了计算， 结果如下： 盘管管内水速 /24,／-U 翅片间距 +24+,,， !） $%? ・ 43492FF，01?4!2D!， !*： #+4+244@!／A,# BC 表１ 管内水速 /24,／- 翅片间距 +24+,, 时， 各迎面风速下的传热系数
!"#$%&’ ()*+#&’" ,&#-./%/ #&0 (&+#&*"1"&$ 23 4%&&"05678" !"#$%&’ ()*+#&’"9/
ｂｙ Ｃｈｅｎ Ｇｕｏｐｉｎｇ ＊ ,8/$9#*$ Ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｈｕａｎｇ Ｑｕｎｓｈａｎ
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技术交流
翅片管换热器 传热性能及强化分析
大连冰山空调设备有限公司 陈国平 ＊ 黄群山 大连宏达港湾开发建设咨询有限公司
摘
要
结合对翅片管换热器的传热性能 的 分 析 ， 比较几种运行状态下的换热器的传热效果的差异， 进而对此
类换热器传热的强化手段加以探讨。 关键词 翅片管式换热器 传热系数 换热强化
Ｅ－ｍａｉｌ ： ｗｉｌｌｉａｍ＿ｃｈｅｎ＿ｃｎ＠１６３ ．ｃｏｍ
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备厂家产品为例，翅片厚度为 !"##$%%，翅片间距 翅片上有双桥条缝以增加空气扰流。 翅片形 &"’&%%， 式如图 & 所示。
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图４ 图２ 图３
总传热系数 Ｋ 与 "/、 "- 的关系
铜管排列形式
翅片形式
当 "-7"/ 时 8 增加 "-， 直到变成等于 + 增加很快， 当 "-9"/ 时， 增加 "-， 再进一 "/； + 增加的速度很慢， 步增加时， + 几乎不增加。可以看到， + 的值绝对不 而且当 "-7"/ 时， 即使管内的换热系 会超过 "- 的值。 总的传热系数 + 也只能达到 数很大， 甚至 "/!: 时， 或趋近于管子换热系数较小的 "- 值； 反之亦然。我 们可以将这个现象称为换热瓶颈现象。因此强化换 （ #） 热系数大的一侧是收不到显著效果的。只有设法强 化限制总传热系数的主要矛盾，即换热系数小的换 热瓶颈侧才行。 （ 1） 对于管内外换热均为单相流对流换热，其换热 系数都和流体流速的幂指数成比例增长。流体流动 分为层流和紊流， 流体在其边界层内速度梯度很大， 而在边界层外的流动核心区内，在流体流速法向方 向上速度变化已经为零；紊流流体在层流底层中的 速度梯度最大，而紊流边界层紊流核心区的速度变 化已经较为平缓。传热和流动相似， 也存在边界层， 只是热边界层厚度要比流动边界层小很多。 层流和紊流强化的主要机理就是利用增加二次
A#B
传热强化。 为了提高传热性能，主要是提高流体的换热系 数 "/ 、 "-。但并不是将两者一味的提高就好。我们可 加以简化， 即认为传 以将上面的传热系数计算式（ 1）
0# 热系数仅由以下两方面构成： ，该式 +)（ #／"/.#／"-）
，例如 =>)
。 为了便于分 可转换为： +)"/／（ #."/／"-） )"-／（ #."-／"/） 析和观察， 将上式绘制成图线， 如图 6 所示：
（ !#）
01&!* )* ／#(
—— ・ !*—管内流体对流换热系数， @!／A,# BC； —— )*—管内径， /2/!=9 ,； —— 空调用 DE!#B 冷水 #(—管内流体导热系数， 取 /2///=D9@!／A, ・ BC。 —— 空调用的 DE!#B冷水， 其 56 56—普朗特常数， 值取 F2=#； —— 8—单位管长 !,。
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３．０
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盘 管 管 内 水 速 "#$%／&’ 翅 片 间 距 !#(%%， !） )*+
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热效果还是提高了。所以在换热瓶颈处对换热的加 强才有意义。 对于家用空调等有相变换热的翅片管换 热 器 ， 管外侧的传热强化和上述单相换热管外侧类似， 管 内侧则分为冷凝和蒸发两种情形，冷凝传热热阻主 要来自是冷凝膜厚度的导热热阻，强化传热主要是 通过利用表面张力获得很薄的冷凝膜厚度或及时从 冷凝表面排走冷凝液；蒸发换热强化的机理则是薄 膜态蒸发、 对流沸腾和核态沸腾。 同样有相变传热的 翅片管换热器的换热瓶颈也是在管外侧。此处我们 就对有相变换热的翅片管换热器的换热形式不做展 开的讨论。 传热强化是一个涉及面比较广的问题，我们不 仅要从传热性能上去分析，还要从实现工艺和成本
0# +)（ #／"-.#／"/）
其中： —— *—翅片管外表面总面积， ｍ ２； —— ・ +—传热系数， 2!／3 %1 45； —— !,%—对数平均温差， 4； —— ・ "-—管外侧流体换热系数， 2!／3 %1 45； —— #—肋化系数； —— ・ "/—管内侧流体换热系数， 2!／3 %1 45。
０．６７２ ０．６６３ ０．６５４ ０．６４５ ０．６３８ ０．６３０ ０．６２３ ０．６１７
１４．２７ １４．０６ １３．８７ １３．７０ １３．５３ １３．３７ １３．２２ １３．０８
4） 盘 管 管 内 水 速 "#,%／&’ 翅 片 间 距 !#(%%， )*+
・ .1(4#4!， /0+ ,1#$$， !3： 41!2#,15!／6%! 78 表３ 管内水速 "#,%／& 翅片间距 !#(%% 时， 各迎面风速下的传热系数
大学， 助理工程师 ＊ 陈国平， １９７６ 年， 电话： ０４１１－８６６４９１２１ 地址： 大 连 市 沙 河 口 区 西 南 路 ８８８ 号 大 连 冰 山 空调设备有限公司技术部（ １１６０３３ ） 图１ 铜管铝串片结构
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片结构换热器的传热计算分析入手，对提高翅片管 换热器能力提出几点看法。
１．６ １．８ ２．０ ２．２ ２．４ ２．６ ２．８ ３．０
４５．７２ ４８．５０ ５１．１１ ５３．５６ ５５．８８ ５８．１２ ６０．２３ ６２．２７
６３．１４ ６８．１６ ７３．００ ７７．６７ ８２．１８ ８６．５７ ９０．８４ ９５．０１
０．７９２ ０．７８０ ０．７６８ ０．７５８ ０．７４８ ０．７３８ ０．７３０ ０．７２１
０．４７８ ０．４７２ ０．４６６ ０．４６０ ０．４５４ ０．４４９ ０．４４５ ０．４４０
１０．１５ １０．１０ ９．８８ ９．７６ ９．６４ ９．５３ ９．４３ ９．３４
$&"／"*
—— "*—管内表面积， ,#；
（ 3）
２．２ ２．４ ２．６ ２．８
其中， "——每米长翅片管外表面折合总面积， ,#。 （ F）
风速 传热系数 Ｋ 空气侧换热系数 !ｏ 翅片 翅片管外表 肋化 ・ ・ （ ｍ／ｓ ）［ｋＷ／（ ｍ ２ B）］ ［ｋＷ／（ ｍ ２ B）］ 效率 %ｔ 面积 Ｆ （ ｍ ２）系数 $
关于管外侧流体换热系数，针对上述翅片管换 热器， 可由文献 :#<换热器设计推荐公式计算：
!G&942=#’H/24=
&!!!8<)#’%%8 层 流 低 层 的 厚 度 ; 为 !"!#6$%%8 即 任
何粗糙表面都可以破坏层流底层从而增加传热。
"#
%
２
!"#$%&%’( !)"#*$’!
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另外， 扩大换热面积， 也可以增加传热性能， 因为 换热量是和管两侧传热热阻 !／!!"! 和 !／!#"# 有关的， 定量分析翅片管换热器传热性能 下面我们就通过对上面的翅片管换热器进行定 量的计算分析。 对于管内侧流体换热系数可以根据雷诺数和努 谢尔特准则计算： 示。
图５ 翅片管外表面积示意
$%&’()*／"(
—— 其中， ’(—管内水速， ,／-； —— )*—管内径， ,；
（ +）
%L
#
&LHOP
AQ$K’C／
（ !!）
—— "(—管内侧水的动力黏度系数， , ／-。 当 $%.#!// 时
!／+ 01&!234$%!／+56!／+（ )* 7 8）
AQ$K’C
—— ’H—空气侧盘管迎面风速， ,／-。 肋化系数可由下面公式计算：
（ D）
１．６ １．８ ２．０
４９．６７ ５２．８９ ５５．９３ ５８．８１ ６１．５５ ６４．１６ ６６．６７ ６９．０８
６３．１４ ６８．１６ ７３．００ ７７．６７ ８２．１８ ８６．５７ ９０．８４ ９５．０１
０．７９２ ０．７８０ ０．７６８ ０．７５８ ０．７４８ ０．７３８ ０．７３０ ０．７２１
当 $%>!//// 时
’&A$N!CA!;/2+=RO $C
/2+
01&/2/#+$% 56
其中：
/23
$&!2#DAS!／)GCAS#／S!N/2+C/2=。
—— 见图 =。 JM—翅片管外侧翅片部分表面积， ,#；
# JM&#:S!S#N&／9（ )G;#LM） <#T!///／"5
管内流体其定义式如下： 01?努谢尔特数，
其中， LHOP 双曲正切函数；
/2= Q&（ #!G／#MLM）
（ 9） （ =） （ 4）
当 #!//.$%.!//// 时
#／+ 01&/2!!4$%#／+56/2!/+:!;（ )*／8） <
镀亲水膜铝材 #//!／A, # ・BC #M 翅片导热系数， —— $K—铜管半径， /2//3#,,；