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 $! 月刊
艺的提高，发展了各种更高效的肋片。在空调行业 中， 象光管绕铝翅片、 皱折翅片、 镶片、 轧片、 套片、 串 片等翅片管式换热器渐渐形成了行业的主力 产 品 。 随着我国空调行业的成熟，各厂家为了追求更大的 利润空间，如何在现有的条件下生产出传热性能更 好的翅片管换热器， 便成为一个重要的问题。本文通 过对现有空调行业中常见的空气处理机用铜管铝串
—— %I—接触效率， /2F=；
JKI 翅 片 外 侧 圆 管 部
换热热阻的降低， 同样也可以使换热性能得到提高 。 分表面积， ,#； 如 图 = 所
JKI && A)G ;#LMC :! N
（ !///／"5） LM< （ !/） 其中， 管外径； )G： —— LM—翅片厚度； —— "5—翅片间ｎｎｅｄ－ｔｕｂｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ． ｏｖｅｒａｌｌ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｅｒ
:".;290 ｆｉｎｅｄ－ｔｕｂｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
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引言 人们对换热器的强化传热方法的研究，早已取
中央空调终端产品空气处理机上常用的铜管铝 串片结构如图 １ 所示。铜管采用 !!"#$%&，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
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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