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试验时,试件的管内通热水,管外空气横掠。水的进、出口温度和空气的进口温度由精密水银温度计测量,水的流量由转子流量计测量。空气的进、出口温度由布置在试验段前后流通截面上的热电偶堆测量,空气的流量由毕托管测量。在试件前后的风道上装有测压管,测量两处的静压压差,即可得到空气流动阻力。通过拟合曲线分离法得到管外换热准则关系式,采用线性回归方法可得到管外流体流动阻力准则关系式。
为了保证试验数据的可靠性,对每个工况的试验数据都要进行热平衡η的校验。如果|η|<5%,认为试验数据可靠;如果|η|≥5%, 则认为试验数据不可靠,需重新进行测试。热平衡η的计算方法如下。热流体的放热量Q1和冷流体的吸热量Q2可分别表示为:
试验时,保持管内水流量及进口水温基本不变,改变空气的流量,得到一系列工况点数据。
换热器按照其工作原理可分为间壁式、混合式和蓄热式三类。
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。
下面我们主要谈的是间壁式换热器，通过实验数据对其进行热力对比计算。
提高换热器换热性能的途径
传热方程是Q = KAΔt，很多研究者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,或采用传热管可明显提高传热系数。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 有一定的限度。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。
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,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。
可通过下列途径来增大设备单位体积的有效传热面积:
①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。
强化换热器换热的方法及热力计算
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。
一、调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距。
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,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,终导致传热系数K 减小,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,合理的换热器结构应同时减小这两方面的影响。
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。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。
2、变翅片间距的结构示意图及对比计算
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) 。
对于翅片管式换热器,其传热系数的计算采用下列公式。
式中: hi ,h0为管内制冷剂和管外空气侧换热系数(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) 。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。
二、加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。
铜管外表面光滑,内表面有连续而细密的螺纹沟槽,称为内螺纹管。因其增大了管材内表面的散热面积,使铜管的散热系数增加率比光管提高了1. 5 倍。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。
1、设计原理
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力。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。
2、变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算
对等间距内螺纹翅片管换热器管内螺纹进行改进,由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变,使之内表面积比等间距增大8. 4 %,传热系数增大3. 82 %,管内换热系数也增加了4. 89 %。等间距与变间距内螺纹管结构示意图如图3、图4 所示。
式中: f m为单位管长管子平均面积(m2 ) ; f i为单位管长管子内面积(m2) ; f 2为单位管长管子总外表面积(m2) ;αi为管内对流换热系数(W/ (m2· K) ) ;αw 为管外对流换热系数(W/ (m2· K) ) 。
对于汽车空调系统,当负荷Q0 = 4 kW ,其热力性能计算结果如表2 所示。
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在翅片管和热管设计的时候，一般翅片管侧的换热和流动是被关注的重点，甚至传热系数的计算和取值也主要依赖于翅片侧的换热。这容易造成一种错觉：管内的流动和换热似乎是不怎么重要了，似乎在设计中可以不用考虑了。
事实上，这是不对的。我们既要考虑管内的流动和换热，还要保证管内的流体具有足够高的换热系数和合理的流动条件。我们要从如下问题来考虑。
一、翅片管的放置形式
是立放，横向，还是倾斜放置。如下图所示，因为只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情况下管内的相变过程。
二、管内流体管程的考虑
对单相流体（如水），一般应保证管内平均流速在1m/s左右，要通过合理的管程布置来调节管内的流速，所谓管程是指管内流体在换热器中走几个来回，管程数目越多，则每个管程“分摊”的管子数目越少，则管内流速就越高。如上面的附图所示，从水入口到水出口，水在管内走了六个来回，即管程数目为6。
每一个管程对应一排翅片管。对于管内流量特别小的场合，甚至可以做到每1支管或两支管作为一个管程；对于管内流量特别巨大的场合，可以选择1排或几排管作为一个管程。应当注意，对于管内为相变换热（蒸发或凝结）的场合，一般只取一个管程就可以了。
三、关于翅片管束的分组处理
关于翅片管束的分组处理，我们需要多方考虑。
分组布置的好处在于：
* 可使箱体分段加工，便于安装和运输；
* 可以安装吹灰孔和吹灰器；* 便于管束的检修和更换；
例如：若后几排管有露点腐蚀的风险，则应将其单独设为一组，便于拆检和更换。
如果在烟气的流动方向上，我们就该这样来进行设计处理，如下图所示：
四、小结
作为阶段小结，下面提出设计的几点经验，供参考：
（1）翅片管换热器和其他型式的换热器一样，设计的成功与否，50%（甚至更高）取决于经验，而经验是在工程项目设计实践中获得的。如果参与了10项以上的工程设计，算作稍有经验；参与了20项以上的工程设计，可称作比较有经验，而如果参与过30项以上的设计，则可认为是相当有经验了。
（2）成功的经验和不怎么成功的经验同等重要，若发现设备运行后，实测热负荷远远偏离设计值，就算不怎么成功，要分析原因；若发现翅片管管子的积灰，腐蚀严重，或出现其他没有预料到的情况，虽然能运行，也算不怎么成功，也应从设计上找原因；若出现问题，则属于失败的设计，因为“”具有一票否决权，更要仔细地调查分析发生的原因。
（3）为了做到设计的成功，或不出现大的失误，重要的莫过于设计前的现场调查和取证。尤其是翅片管多作为余热回收设备应用，是在主设备上“附加”的节能设备，所以，地掌握主设备的运行情况和现场的环境是至关重要的。
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