强化翅片管式换热器换热性能的方法及应用

METHODS AND APPL ICATION OF HEAT TRANSFER IMPROVEMENT OF FIN2TUBE HEAT EXCHANGER
Li Ge1) Wang Lixin1) Liu Shijun2) Zhang Shuang2) Zhang Liqun2) Liu Ruohui2) Li Zhenyu2)
通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优 化设计 ,然后对其换热性能与改进前换热器进行对 比计算 ,结果是改进后的换热器的传热系数得到了 提高 。 3. 1 调整换热器的翅片间距 ,设计成为变翅片间 距。 3. 1. 1 设计原理
本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统 中的蒸发器 (在 0 ℃及其以下条件工作时 ,翅片盘 管外表面温度等于或低于湿空气的露点温度时) , 由于在低温工况下工作的蒸发器表面存在结霜问 题 ,且蒸发器前几排管子的结霜较严重 ,而后几排 管子的结霜相对较轻 ,因而可采用变间距的翅片设 置[3 ] ,亦即沿风向片距越来越小 。霜开始形成时 表面粗糙度增大 ,引起传热面积增大 ,同时气体流 速也增大 ,从而导致在结霜初期传热系数 K 增大 , 但随着霜层的不断增厚传热热阻增加 ,最终导致传 热系数 K 减小[6 ] ,结霜对换热器性能的影响表现 在降低其传热系数和增大其阻力两方面 ,合理的换
目前国内外最普通且应用最广的是间壁式换
热器 ,其它类型换热器的设计和计算常借鉴于间壁 式换热器 。作为一种应用广泛的换热器 ,对其进行 的研究也非常多 ,主要是提高其换热性能 ,文中提 出了强化翅片管式换热器换热性能的方法 ,并通过 实验数据对其进行热力对比计算 。 2 提高换热器换热性能的途径
在提高换热器的换热性能方面 ,国内外的专家 学者都作了大量的分析 。从传热方程 Q = KAΔt 可以看出 ,单位时间的传热量 Q 不仅与传热系数 K 有关 ,而且与传热面积有关 ,但目前研究的主题 方向是提高传热系数 K 。对强制循环空气冷却 器 ,采取有效措施降低空气侧的传热热阻或在制冷 剂侧采用选择供液方式 ,控制供液量 ,或采用高效 传热管可明显提高传热系数[2 ] 。另外提高流体的 流速可以增大传热系数 ,但流动阻力也相应增大 , 因此通过增大流体的流速以增强传热系数 K 有一
由于该改进方案采用的是变翅片间距形式 ,在 理论上可近似认为是错列翅片 ,因此在分析中可借 用错列翅片的理论 。图 1 是所研究的流体纵掠错 列翅片的一个二维模型 ,翅片间距为 H ,厚度为 t 。 由于该结构形式实际为错列翅片 ,当流体纵掠翅片 时 ,气流在上游翅片先受到扰动 ,因此在前几排管 上的翅片换热加强 ,当气流流经后几排管子时 ,由 于流通截面迅速变窄 ,流速提高 ,使流体在原有的 基础上又进一步受到挤压 ,扰动更加剧烈 ,因此通 过后加上的一组翅片 ,使换热也得到了强化 。 通过变翅片间距的结构改进 ,冷风机在外形尺 寸即高度 、宽度和管总长度不变的前提下 ,在结霜 工况下运行时仍可保持较高的传热系数 ,且采用变 翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机 的传热系数提高了 9. 8 % ,且传热面积有所提高 , 通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热 的目的 (图 2) 。
时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的 减薄 ,而绕流作用使流体产生轴向旋涡 ,可致使边 界层分离 ,流体主体径向温度梯度减小 ,有助于热 量传递的进行 。因此采用在已加工好的管壁内部 加工变螺距内螺纹 ,不但可以扩大管子的内表面 积 ,增加传热面积 ,并且由于管子不再是光管 ,内部 有螺纹所以内壁变得粗糙 ,可以破坏层流边界层 , 使管内的制冷剂的流态变成紊流 ,从而提高管内对 流换热系数 。同时 ,因为采用变螺距 ,沿着流体流 动方向螺距从大变小 ,这样可增强流体的扰动 ,强 化流体的换热系数 。 3. 2. 2 变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算
1 ) (Dalian Fisheries University) 2) ( Fuji Bus Air2conditioner (Dalian) Co . ,L t d. )
ABSTRACT Heat t ransfer coefficient is increased t hrough improving fin2t ube heat exchanger st ruct ure a little which is used in various conditions , one met hod is to change t he distance of two closed fins which is used in ref rigeration condition , t he ot her is to change t he t read pitch of inner screw t read t ube. By act ually using and calculating , it s heat t ransfer coefficient is respec2 tively increased 9. 8 % and 3. 82 %. KEY WORDS Heat exchanger Fin2t ube Heat t ransfer coefficient Thermodynamic calcu2 lat io n
对于制冷量 Q0 = 2. 67 kW 的制冷系统 ,经过 结构改进 ,其热力性能计算结果如表 1 所示 。
等间距翅片 变间距翅片
增幅
表 1 变间距与等间距翅片换热器热力性能比较
外表面积 / m2
肋片表面积 / m2
铜管外表面积 / m2
外/ 内表面积比 β
11. 433
9. 09
2. 33
6
16. 589 5
图 1 错列翅片换热器示意图
图 2 变翅片间距换热器示意图
对于翅片管式换热器 ,其传热系数的计算采用 下列公式[10 ] 。
第 4 期 李 革等 :强化翅片管式换热器换热性能的方法及应用 · 81 ·
Q = Ki FΔi t m = K0 F0Δt m
1) (大连水产学院) 2) (富士客车空调 (大连) 有限公司)
摘 要 通过两种不同的方法改进应用在不同场合的翅片管式换热器的结构 ,进而提高其换热性能 :一种 是将低温工况下易结霜的换热器设计成变翅片间距 ,一种是将空调工况下的换热器设计成变螺距内螺纹 管 。通过热力计算及实际系统使用 ,得出传热系数分别提高了 9. 8 %和 3. 82 %。 关键词 换热器 翅片管 传热系数 热力计算
热器结构应同时减小这两方面的影响[7 ] 。 当气流通过蒸发器时 ,由于空气中的水蒸气不
断地在翅片管表面沉积 ,空气由于除湿作用相对湿 度降低 ,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减 的 ,如果采取变片距结构 ,可以在结霜条件下保持 其较高的传热效率 ,并延长其冲霜时间[8 ] 。当蒸 发器采用变翅片间距结构时 ,实际上已构成了翅片 的错列分布 ,当空气横掠错列翅片时 ,翅片的交错 分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用 ,由于前 面翅片的绕流 ,翅片的前半部分换热加强 ,后面的 翅片的分布又使得流道变窄 ,流速提高 ,翅片后半 部分的换热也得到强化[9 ] 。 3. 1. 2 变翅片间距的结构示意图及对比计算
14. 28
2. 31
8. 72
45. 1 %
57. 1 %
0. 86 %
45. 3 %
传热系数/ W/ (m2·K)
45. 18 49. 616 9. 8 %
3. 2 加强管内流体流动 ,管内壁加工变螺距内螺纹。 在不增大整体设备尺寸的前提下 ,增加其内表
面换热面积 ,加强管内流体的扰动 ,在原有换热器 的管内壁上加工变螺距内螺纹 。 3. 2. 1 设计原理
1 换热器类型及工作性能 随着科学技术的迅速发展 ,换热器的种类多种
多样 ,各行各业对换热器的要求不断提高 ,其分类 方法很多 ,但对换热器的分类用的最多也是最重要 的一种方法是按照其工作原理进行分类 ,分为间壁 式 、混合式和蓄热式三类[1 ] 。作为间壁式换热器 , 热流体和冷流体间有一固体壁面 ,两种流体被固体 壁面隔开 ,彼此不接触 ,热量的传递必须通过壁面 。 混合式换热器依靠冷 、热流体的直接接触而进行换 热 ,换热后理论上应变成同温同压的混合介质流 出 。蓄热式换热器则依靠固体填充物组成的蓄热 体传递热量 ,冷热流体依次交替的流过由蓄热体组 成的流道 。当热流体流过时 ,把热量储存于蓄热体 中 ,其温度逐渐升高 ,而当冷流体流过时 ,蓄热体因 放出热量温度逐渐降低 ,如此反复进行 。
第5 20
卷 第 4 期 0 5年8月
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Vol. 5 ,No. 4 August 2005
强化翅片管式换热器换热性能的方法及应用
李 革1) 王丽欣1) 刘世君2) 张 爽2) 张利群2) 刘若卉2) 李振宇2)
(4)
式中 : hi , h0 为管内制冷剂和管外空气侧放热系数 ( W/ ( m2·K) ) ; Fi , F0 为管内 、外面积 ( m2) ; β为 管内外面积比 ; ri , r0 为管内 、外表面的污垢系数 ( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率 ( W/ ( m·K) ) ;η为 肋化效率 ; di , d0 为管子内/ 外径 (m) 。
· 8 0 · 制 冷 与 空 调 第 5 卷
定的限度[3 ] 。此外增强传热可通过增加传热面积 实现 ,但增加传热面积不应靠加大整体设备的尺寸 来实现 ,而应从设备的自身结构来考虑[4 ] 。增加 传热面积总体上分为两种途径 :管外表面的扩大和 管内表面积的扩大 。目前管外表面积的增加主要 是在管外加翅片或扩展表面即肋化表面[5 ] ,它是 通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻 , 从而达到强化传热的目的 。经研究可通过下列途 径来增大设备单位体积的有效传热面积 : ①热传递 面采用扩展面 ,如在对流传热系数较小一侧的热传 递表面上附加翅片 、筋片 、销钉等 ; ②增大原有热传 递表面 ,如将表面处理成憎水性覆盖层 、多孔性覆 盖层 、双波纹状管等 ; ③在换热器中管子的强化方 面主要是异型管的开发 ,从而来达到增加传热面积 的目的 。异型管的种类包括螺旋槽纹管 、横纹槽 管 、缩放管 、波节管 、旋流管 、粗糙表面管 、螺旋扁 管 。上述所列强化管在国内外已有了许多成功的 开发和应用实例 。以益阳氮肥厂变换锅炉软水加 热器为例 ,采用缩放管后 ,换热面积减少了 69 %。 波节管换热器在国内也有较广泛的应用 ;北京化工 设计院和大连理工大学分别制造出烧结型和腐蚀 型粗糙表面多孔管 ,用于强化沸腾传热 ,均取得较 好的效果[4 ] 。 3 强化换热器换热的方法及热力计算
当管内工质换热系数较大而管外工质换热系 数较小时 ,管外的对流传热热阻将成为传热的主要 阻Байду номын сангаас 。采用扩展表面 ,对于缩小换热器体积 ,提高 换热器效率有很重要的作用 。目前 ,已经开发出了 针状翅片 、波纹翅片 、百叶窗翅片 、三角形翅片 、单 面开槽条形片 、裂齿矩形翅片[11 ]等 。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发 方面 ,综观各种不同形状的强化管 ,其共同特点是 在兼顾压降的同时 ,传热面积都有不同程度的增 加 ,并通过两种机理提高其传热系数进行强化换 热 。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因 素 ,它产生于靠近管壁的层流底层 ,并有一个逐渐 增厚的过程 。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽 、凸 肋 ,会破坏贴壁层流状态 ,抑制边界层的发展 。同
(1)
Ki Fi = K0 F0
(2)
1/ Ki = 1/ hi + ri + ( F1i/ 2πλ) ln ( d0/ di)
+ r0/ (βη) + 1/ ( h0βη)
(3)
1/ K0 = β/ hi + rβi + ( F10/ 2πλ) ln ( d0/ di)
+ r0/ η + 1/ ( h0η)