小管徑穿片式翅片管三種間距下的換熱與阻力特性

高文通++歐陽(yáng)新萍

摘要： 對(duì)3種基管外徑（10 mm）和管間距相同、翅片間距不同的穿片式空氣水換熱器的換熱與阻力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，翅片間距分別為1.0、1.6、1.9 mm.得出了不同翅片間距下的管外換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)以及相應(yīng)的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，利用評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)3種試件的綜合換熱性能進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明：翅片間距對(duì)管外換熱性能的影響很大；在選擇具有合理翅化比的換熱器的翅片間距時(shí)還需考慮經(jīng)濟(jì)性和緊湊度等方面的因素.

關(guān)鍵詞： 穿片式翅片管； 翅片間距； 換熱系數(shù)； 阻力系數(shù)； 性能評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： TK 124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Flow resistance and heat transfer characteristics of the plate fintube heat exchanger with three different fin spaces were investigated with the same base tube diameter of 10 mm.Three different fin spaces of 1.0、1.6、1.9 mm were used.The resistance and heat transfer coefficients for outside tube as well as their correlations were attained.The comprehensive heat transfer characteristics of the tested tubes were evaluated.The criteria for evaluating the comprehensive thermal performance of tested tubes were adopted.Experimental results showed that the fin space had an important influence on the heat transfer performance outside of the tube.The heat exchanger with reasonable finned ratio should take the economy and compact into the consideration for the fin space selection.

Keywords：plate fintube； fin spaces； heat transfer coefficient； resistance coefficient； performance evaluation

換熱器作為能量系統(tǒng)中使用最廣泛的單元設(shè)備之一，在石油、化工、動(dòng)力、能源、冶金、航空、車輛、制冷、食品等領(lǐng)域被廣泛利用，其性能的改善對(duì)于改進(jìn)系統(tǒng)的用能過(guò)程、降低能量消耗具有重要的意義.管翅式換熱器一般用于氣體與液體或相變工質(zhì)之間的換熱，而其空氣側(cè)熱阻在整個(gè)熱阻中起主導(dǎo)作用[1-2]，空氣水冷卻器就是其中一種.空氣水冷卻器一般由整張翅片與銅管或銅合金管穿片漲管而成，管子外徑多在12～19 mm.隨著一些用戶對(duì)空氣水冷卻器的高效緊湊型要求的提高，10 mm小管徑的空氣水冷卻器得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用.小管徑冷卻器的傳熱效率高，但同時(shí)管內(nèi)外流動(dòng)阻力也高，特別是管外空氣流動(dòng)阻力會(huì)增加較多.這是由于小管徑冷卻器與常規(guī)管徑冷卻器相比，管間距和翅片間距均更小.為了在小管徑冷卻器的高效緊湊和流動(dòng)阻力的增加之間達(dá)到最優(yōu)的效果，必須尋求冷卻器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是管間距、翅片間距.受翅片效率和翅化比的約束，管間距的調(diào)整范圍有限，翅片間距則成為主要的調(diào)節(jié)參數(shù).基于風(fēng)機(jī)盤(pán)管的管翅式換熱器的研究[3-5]表明，翅片間距對(duì)傳熱性能和管外空氣流動(dòng)阻力的影響很復(fù)雜.人們針對(duì)翅片形狀、間距、管徑及管排方式等因素對(duì)換熱的影響做了大量的實(shí)驗(yàn)研究[6-11].目前，多采用一些綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)傳熱和阻力性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)建立的傳熱特性參數(shù)如傳熱系數(shù)、傳熱溫差用于評(píng)價(jià)熱交換器性能時(shí)，只強(qiáng)調(diào)了傳熱強(qiáng)度而沒(méi)有考慮回收能量的品質(zhì).為了反映換熱器表面性能的優(yōu)劣，本文采用比較傳熱表面能量傳遞和能量消耗比的方法，對(duì)換熱器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià).由于本文中的換熱器是管翅式換熱器，所以將翅片效率的變化對(duì)表面性能的影響包含在評(píng)價(jià)指標(biāo)中是十分必要的.

本文對(duì)管徑為10 mm的電機(jī)冷卻器的翅片間距進(jìn)行分析比較，確定了翅片間距變化對(duì)換熱系數(shù)以及換熱器的換熱性能的影響.

1試件及試驗(yàn)裝置

本文針對(duì)3種基管外徑（10 mm）、管間距相同但翅片間距不同的管翅式換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究.試驗(yàn)在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示.翅片形式為開(kāi)縫翅片，3種試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.試件管內(nèi)通熱水，管外空氣橫掠.試驗(yàn)時(shí)，水進(jìn)、出口溫度由熱電阻測(cè)量，水流量由電磁流量計(jì)測(cè)量.空氣進(jìn)、出口溫度由熱電偶測(cè)量，空氣流量由畢托管測(cè)量.在試件前、后風(fēng)道上裝有U型測(cè)壓管，測(cè)量其壓差，即可得到空氣流動(dòng)阻力ΔP.試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兺ㄟ^(guò)翅片管的空氣流量.

2試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1換熱性能試驗(yàn)方法

通過(guò)測(cè)量熱水和空氣的進(jìn)、出口溫度及流量計(jì)算熱水的放熱量Q1和冷水的吸熱量Q2.當(dāng)Q1和Q2之間的熱平衡誤差滿足給定精度要求時(shí)，取兩者的算術(shù)平均Q作為換熱量.總傳熱系數(shù)Ko計(jì)算式為

式中：Ao為傳熱面積（管外總表面積）；Δt為對(duì)數(shù)平均溫差.

管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)hi由旺盛湍流的經(jīng)典公式計(jì)算，即

式中：λf為管內(nèi)水的導(dǎo)熱系數(shù)；Ref為管內(nèi)水的雷諾數(shù)；Prf為管內(nèi)水的普朗特?cái)?shù).

以管外總表面積Ao為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)的熱阻方程式為

式中：ho為管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)；ηo為肋面總效率；λ為管壁導(dǎo)熱系數(shù)；r為管內(nèi)污垢系數(shù)；Ai為管內(nèi)總表面積.

由式（3）可計(jì)算得到以管外總表面積Ao為基準(zhǔn)的管外空氣對(duì)流換熱系數(shù)ho，并擬合出管外平均傳熱系數(shù)的準(zhǔn)則方程式，即

式中：Nu為努塞爾數(shù)，Nu=〖SX（〗hodo〖〗λa〖SX）〗，λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；C、n均為未知系數(shù).

以基管外表面積Ab為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)Kb的熱阻方程式為

由式（5）可計(jì)算得到以基管外表面積為基準(zhǔn)的管外空氣對(duì)流換熱系數(shù)hb.相應(yīng)地，Nu的表達(dá)式為

2.2流動(dòng)阻力性能試驗(yàn)方法

摩擦阻力系數(shù)采用Darcy定義，即

式中：f為Darcy摩擦阻力系數(shù)；ρ為流體密度；um為來(lái)流平均流速.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可利用式（8）求出摩擦阻力系數(shù).將摩擦阻力系數(shù)整理成以下形式，即

式中：Cf為阻力系數(shù)；m為未知指數(shù)；Re為雷諾數(shù).

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3種試件的換熱特性與阻力系數(shù)分別如圖2、3所示.根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的準(zhǔn)則關(guān)系式系數(shù)分別如表2、3、4所示.

由圖2（a）可知，在所測(cè)工況范圍內(nèi)，試件按基于管外總表面積的換熱系數(shù)由大到小依次為3號(hào)、1號(hào)、2號(hào)試件.通常，對(duì)于穿片式翅片，翅片間距越小，氣流在翅片上潤(rùn)濕的周邊越大，換熱系數(shù)也就越小[12]，因此，1號(hào)、2號(hào)試件的換熱系數(shù)會(huì)低于3號(hào)試件.但1號(hào)試件的翅片間距小于2號(hào)試件，分析認(rèn)為：當(dāng)翅片間距非常小時(shí)，流經(jīng)翅片的氣流流通截面積很小，促進(jìn)了開(kāi)縫片表面氣流渦源數(shù)量的增加，使氣流擾動(dòng)更加劇烈[13]，而且隨著雷諾數(shù)的增加，擾動(dòng)效果明顯加強(qiáng)，換熱更充分[14]，因而1號(hào)試件的換熱性能強(qiáng)于2號(hào)試件.除了上述因素以外，還有一些因素會(huì)對(duì)換熱造成影響.在較高雷諾數(shù)下，翅片間距較大的翅管換熱性能易受到管件誘發(fā)產(chǎn)生的渦旋流動(dòng)的管前區(qū)（即前向渦區(qū)）和管側(cè)區(qū)（即縱側(cè)渦區(qū)）的影響而增強(qiáng)[15].當(dāng)翅片間距非常小使得流道面積很小時(shí)，流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，造成局部換熱系數(shù)的較大跌落[16-18].綜合以上因素，1號(hào)試件的換熱性能強(qiáng)于2號(hào)試件而低于3號(hào)試件.

由圖2（b）可知，試件按基于基管外表面積的換熱系數(shù)由大到小依次為1號(hào)、3號(hào)、2號(hào)試件.由于3種試件的基管外表面積、試件體積相同，因此，圖2（b）可以理解為是單位體積換熱能力的比較，而圖2（a）則是基于單位面積換熱能力的比較.通常，對(duì)于僅翅片間距存在差異的翅片管而言，以基管外表面積為基準(zhǔn)的管外換熱系數(shù)會(huì)隨著翅片間距的減小而增加.因?yàn)殡S著翅片間距的減小，管外實(shí)際參與換熱的面積增加，換熱量增加，而用于計(jì)算換熱系數(shù)的基管外表面積并無(wú)變化.所以，圖2（b）中1號(hào)試件的管外換熱系數(shù)最大屬合理，但翅片間距較大的3號(hào)試件的管外換熱系數(shù)大于2號(hào)試件則不合常理.分析認(rèn)為，圖2（a）中2號(hào)試件的基于單位面積的換熱性能太弱，即使其實(shí)際換熱面積大于3號(hào)試件，其單位體積的換熱性能仍低于3號(hào)試件.

由圖2及上述分析可以推斷，對(duì)穿片式翅片管而言，翅片間距對(duì)管外換熱性能的影響很大.因此，可能存在一個(gè)翅片間距的范圍，在此范圍內(nèi)，翅片管的換熱性能較弱.本文中翅片間距為1.6 mm的2號(hào)試件就處在此范圍.因此，在設(shè)計(jì)翅片間距時(shí)應(yīng)避開(kāi)這一范圍.

由圖3可知，3種試件的阻力系數(shù)由大到小依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試件.阻力系數(shù)隨著翅片間距的增大而減小，這是正?，F(xiàn)象.

4試件綜合性能評(píng)價(jià)

對(duì)流換熱的強(qiáng)化往往伴隨著壓降的增加，因此，如何綜合評(píng)價(jià)傳熱強(qiáng)化方法的優(yōu)劣是研究傳熱強(qiáng)化方法中的關(guān)鍵.本文采用比較傳熱表面能量傳遞與能量消耗比的方法對(duì)3種翅片間距試件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13].

翅片效率的變化對(duì)表面性能的影響不容忽略，所以將翅片表面效率ηo包含在評(píng)價(jià)指標(biāo)中.以E/（ηoho）為橫坐標(biāo)，ηoho為縱坐標(biāo)，將3種試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成圖4（a），其中E為單位傳熱面積的有效泵輸入功率.圖4（a）用于評(píng)價(jià)管外換熱性能與流體驅(qū)動(dòng)耗功的綜合性能.由圖可見(jiàn)，3號(hào)試件的換熱性能最優(yōu).這意味著在相同功耗下，3號(hào)試件的管外換熱系數(shù)最大，所需換熱面積最小，翅片材料最省，或者說(shuō)相同的管外換熱系數(shù)時(shí)，3號(hào)試件的耗功最小.

選擇換熱設(shè)備時(shí)還需要考慮其結(jié)構(gòu)的緊湊度.圖4（a）無(wú)法反映出設(shè)備的緊湊度，圖4（b）是以基管外表面積為基準(zhǔn)的綜合性能比較圖，可反映設(shè)備的緊湊度，即以hb取代圖4（a）中的ho，且不考慮ηo.由圖4（b）可知：1號(hào)試件所需要的基管外表面積最小.對(duì)3種試件而言，相同的基管外表面積意味著相同的換熱器體積，因此，1號(hào)試件的體積最小，最為緊湊.

綜上所述，從布置最小的管外總換熱面積、節(jié)省翅片材料的角度考慮，翅片間距為1.9 mm的3號(hào)試件的性能最優(yōu)；從換熱器的緊湊度角度考慮，翅片間距為1.0 mm的1號(hào)試件性能最優(yōu).

另外，翅片間距的選擇還要考慮翅化比，因?yàn)檫@關(guān)系到換熱器的整體換熱性能.對(duì)于空氣和水的換熱，翅化比為8～20時(shí)較為合理.表1中所給出的3種試件的翅化比均處在合理范圍.

5結(jié)論

（1） 對(duì)于穿片式翅片管而言，翅片間距對(duì)管外換熱性能影響很大，可能存在一個(gè)翅片間距的范圍，在此范圍內(nèi)翅片管的換熱能力較弱，在設(shè)計(jì)翅片間距時(shí)應(yīng)避開(kāi)這一范圍.

（2） 對(duì)于10 mm小管徑的穿片式翅片管而言，從布置最小的管外總換熱面積、節(jié)省翅片材料的角度考慮，翅片間距為1.9 mm的3號(hào)試件的性能最優(yōu)；從換熱器的緊湊度角度考慮，翅片間距為1.0 mm的1號(hào)試件性能最優(yōu).

（3） 翅片間距大小的選擇還要考慮翅化比.對(duì)于空氣和水的換熱，翅化比為8～20時(shí)較為合理.

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