翅片管換熱器的傳熱性能及強化分析

人們對翅片管換熱器的強化傳熱方法的研究，早已取得不少成果，如通過增加肋片、增強流體擾流等提高傳熱能力等等。從早期的鑄鐵式換熱器開始，人們就設(shè)法提高肋片的高度，減小肋片的厚度以提高傳熱能力，但是受制造水平和工藝的影響，肋片的高度和厚度已被限制在一定尺度。隨著制造水平和加工工藝的提高，發(fā)展了各種更高效的肋片。在空調(diào)行業(yè)中，象光管繞鋁翅片、皺折翅片、鑲片、軋片、套片、串片等翅片管式換熱器漸漸形成了行業(yè)的主力產(chǎn)品。隨著我國空調(diào)行業(yè)的成熟，各廠家為了追求更大的利潤空間，
如何在現(xiàn)有的條件下生產(chǎn)出傳熱性能更好的翅片管換熱器，便成為一個重要的問題。本文通過對現(xiàn)有空調(diào)行業(yè)中常見的空氣處理機用銅管鋁串片結(jié)構(gòu)換熱器的傳熱計算分析入手，對提高翅片管換熱器能力提出幾點看法；
中央空調(diào)終端產(chǎn)品空氣處理機上常用的銅管鋁串片。銅管采用16*0.5mm，銅管叉排，管間距38mm，翅片材質(zhì)為鋁翅片，厚度和翅片間距各廠家有所不同，此處以無錫某空調(diào)設(shè)備廠家產(chǎn)品為例，翅片厚度為0.115mm，翅片間距3.63mm，翅片上有雙橋條縫以增加空氣擾流。
翅片管換熱器運行中，銅管內(nèi)走工質(zhì)水，換熱形式為管內(nèi)流體強制對流換熱，外側(cè)為空氣，換熱形式為流體橫掠圓管的強制對流。管內(nèi)側(cè)水的換熱過程中沒有相變，屬于單相換熱，
該情況下?lián)Q熱器單根管每米長的換熱量為：Q=FK△T。忽略管壁熱阻和污垢熱阻，相對于管外壁面的傳熱系數(shù)為：K=(αo+Tαi)－?（）其中：F——翅片管外表面總面積，ｍ２；
K———傳熱系數(shù)，△T———對數(shù)平均溫差，αo-----管外側(cè)流體換熱系數(shù)，T-------肋化系數(shù)，αi------管內(nèi)側(cè)流體換熱系數(shù)；
1，定性分析翅片管換熱器傳熱性能
首先，我們從理論上定性探討翅片管換熱器的傳熱強化。為了提高傳熱性能，主要是提高流體的換熱系數(shù)αo，αi。但并不是將兩者一味的提高就好。
當"αo<αi時，增加αo時，K增加很快，直到與αi相等。αo>αi時，增加αi時，K增加很慢，再進一步增加，K值介乎不增加。可以看到K值覺對不會超過αo。
而且當αo<αi，管內(nèi)的即使管內(nèi)的換熱系數(shù)很大，甚至αi→∽時，總的傳熱系數(shù)K也只能達到或趨近于管子換熱系數(shù)較小的αo值；反之亦然。我們可以將這個現(xiàn)象稱為換熱瓶頸現(xiàn)象。
因此強化換熱系數(shù)大的一側(cè)是收不到顯著效果的。只有設(shè)法強化限制總傳熱系數(shù)的主要矛盾，即換熱系數(shù)小的換熱瓶頸側(cè)才行。對于管內(nèi)外換熱均為單相流對流換熱，其換熱系數(shù)都和流體流速的冪指數(shù)成比例增長。
流體流動分為層流和紊流，流體在其邊界層內(nèi)速度梯度很大，而在邊界層外的流動核心區(qū)內(nèi)，在流體流速法向方向上速度變化已經(jīng)為零；紊流流體在層流底層中的速度梯度最大，而紊流邊界層紊流核心區(qū)的速度變化已經(jīng)較為平緩。
傳熱和流動相似，也存在邊界層，只是熱邊界層厚度要比流動邊界層小很多。層流和紊流強化的主要機時,增加很快.
分析上面的結(jié)果，我們看到，無論是提高水或空氣的流速，換熱系數(shù)都會增加，但是增加的幅度并不完全相同。我們發(fā)現(xiàn)，水側(cè)的換熱系數(shù)，是空氣側(cè)換熱系數(shù)的幾百倍，
遠遠大于空氣側(cè)的換熱系數(shù)，所以，我們將水速從0.6m/s提高到0.8m/s時，傳熱系數(shù)增加的幅度很小，僅有10%左右，而將風速從1.6m/s提高到3.0m/s時，傳熱系數(shù)提高了近38%左右。
而直接將翅片間距從3.63mm減少到2.55mm時，傳熱系數(shù)減少了，但是總的換熱熱阻降低35%左右，換熱效果還是提高了。所以在換熱瓶頸處對換熱的加強才有意義。
對于家用空調(diào)等有相變換熱的翅片管換熱器，管外側(cè)的傳熱強化和上述單相換熱管外側(cè)類似，管內(nèi)側(cè)則分為冷凝和蒸發(fā)兩種情形，冷凝傳熱熱阻主要來自是冷凝膜厚度的導熱熱阻，
強化傳熱主要是通過利用表面張力獲得很薄的冷凝膜厚度或及時從冷凝表面排走冷凝液；蒸發(fā)換熱強化的機理則是薄膜態(tài)蒸發(fā)、對流沸騰和核態(tài)沸騰。
同樣有相變傳熱的翅片管換熱器的換熱瓶頸也是在管外側(cè)。此處我們就對有相變換熱的翅片管換熱器的換熱形式不做展開的討論。
傳熱強化是一個涉及面比較廣的問題，我們不僅要從傳熱性能上去分析，還要從實現(xiàn)工藝和成本去考慮，對于翅片管換熱器，現(xiàn)在有許多種新型管材，比如波紋管，內(nèi)壁面帶各式各樣內(nèi)肋的管材等等，
這些對傳熱性能增加都有很大的改觀，同時加工工藝要求也高了，成本也就增加了，比如上面的例子翅片間距減小，傳熱增加了35%左右，然而翅片的數(shù)量增加，導致翅片的成本卻增加了約45%。所以作為生產(chǎn)廠商，應綜合考慮才行。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，各種經(jīng)濟實用的管材會越來越多，翅片管換熱器的性能價格比會越來越高。

發(fā)布時間: 2012-10-06 12:27:57

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