翅片管換熱器的傳熱性能及強(qiáng)化分析

人們對(duì)翅片管換熱器的強(qiáng)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(qiáng)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(gè)重要的問題。本文通過對(duì)現(xiàn)有空調(diào)行業(yè)中常見的空氣處理機(jī)用銅管鋁串片結(jié)構(gòu)換熱器的傳熱計(jì)算分析入手，對(duì)提高翅片管換熱器能力提出幾點(diǎn)看法；
中央空調(diào)終端產(chǎn)品空氣處理機(jī)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(yùn)行中，銅管內(nèi)走工質(zhì)水，換熱形式為管內(nèi)流體強(qiáng)制對(duì)流換熱，外側(cè)為空氣，換熱形式為流體橫掠圓管的強(qiáng)制對(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(dāng)"αo<αi時(shí)，增加αo時(shí)，K增加很快，直到與αi相等。αo>αi時(shí)，增加αi時(shí)，K增加很慢，再進(jìn)一步增加，K值介乎不增加。可以看到K值覺對(duì)不會(huì)超過αo。
而且當(dāng)αo<αi，管內(nèi)的即使管內(nèi)的換熱系數(shù)很大，甚至αi→∽時(shí)，總的傳熱系數(shù)K也只能達(dá)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(gè)現(xiàn)象稱為換熱瓶頸現(xiàn)象。
因此強(qiáng)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(qiáng)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(duì)于管內(nèi)外換熱均為單相流對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)相似，也存在邊界層，只是熱邊界層厚度要比流動(dòng)邊界層小很多。層流和紊流強(qiáng)化的主要機(jī)時(shí),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(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，傳熱系數(shù)增加的幅度很小，僅有10%左右，而將風(fēng)速從1.6m/s提高到3.0m/s時(shí)，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(shí)，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(duì)換熱的加強(qiáng)才有意義。
對(duì)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(qiáng)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(dǎo)熱熱阻，
強(qiáng)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(shí)從冷凝表面排走冷凝液；蒸發(fā)換熱強(qiáng)化的機(jī)理則是薄膜態(tài)蒸發(fā)、對(duì)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(duì)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(qiáng)化是一個(gè)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(shí)現(xiàn)工藝和成本去考慮，對(duì)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(duì)傳熱性能增加都有很大的改觀，同時(shí)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(dǎo)致翅片的成本卻增加了約45%。所以作為生產(chǎn)廠商，應(yīng)綜合考慮才行。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，各種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的管材會(huì)越來越多，翅片管換熱器的性能價(jià)格比會(huì)越來越高。

發(fā)布時(shí)間: 2012-10-06 12:27:57

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