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翅片管换热器的传热性能及强化分析

人们对翅片管换热器的强化传热方法的研究,早已取得不少成果,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;
中央空调终端产品空气处理机上常用的铜管铝串片。铜管采用16*0.5mm,铜管叉排,管间距38mm,翅片材质为铝翅片,厚度和翅片间距各厂家有所不同,此处以无锡某空调设备厂家产品为例,翅片厚度为0.115mm,翅片间距3.63mm,翅片上有双桥条缝以增加空气扰流。
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:Q=FK△T。忽略管壁热阻和污垢热阻,相对于管外壁面的传热系数为:K=(αo+Tαi)-?()其中:F——翅片管外表面总面积,m2;
K———传热系数,△T———对数平均温差,αo-----管外侧流体换热系数,T-------肋化系数,αi------管内侧流体换热系数;
1,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强化。为了提高传热性能,主要是提高流体的换热系数αo,αi。但并不是将两者一味的提高就好。
当"αo<αi时,增加αo时,K增加很快,直到与αi相等。αo>αi时,增加αi时,K增加很慢,再进一步增加,K值介乎不增加。可以看到K值觉对不会超过αo。
而且当αo<αi,管内的即使管内的换热系数很大,甚至αi→∽时,总的传热系数K也只能达到或趋近于管子换热系数较小的αo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。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时,增加很快.
分析上面的结果,我们看到,无论是提高水或空气的流速,换热系数都会增加,但是增加的幅度并不完全相同。我们发现,水侧的换热系数,是空气侧换热系数的几百倍,
远远大于空气侧的换热系数,所以,我们将水速从0。6m/s提高到0。8m/s时,传热系数增加的幅度很小,仅有10%左右,而将风速从1。6m/s提高到3。0m/s时,传热系数提高了近38%左右。
而直接将翅片间距从3。63mm减少到2。55mm时,传热系数减少了,但是总的换热热阻降低35%左右,换热效果还是提高了。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去考虑,对于翅片管换热器,现在有许多种新型管材,比如波纹管,内壁面带各式各样内肋的管材等等,
这些对传热性能增加都有很大的改观,同时加工工艺要求也高了,成本也就增加了,比如上面的例子翅片间距减小,传热增加了35%左右,然而翅片的数量增加,导致翅片的成本却增加了约45%。所以作为生产厂商,应综合考虑才行。
随着生产的发展,各种经济实用的管材会越来越多,翅片管换热器的性能价格比会越来越高。

发布时间: 2012-10-06 12:27:57

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