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    [關(guān)鍵詞]換熱器；非對(duì)稱翅片管；對(duì)流傳熱；換熱系數(shù)；強(qiáng)化換熱；換熱效果翅片

    管式換熱器是利用翅片擴(kuò)大換熱管表面積和促進(jìn)介質(zhì)的紊流提高傳熱效率，其在動(dòng)力、化工、制冷等行業(yè)中應(yīng)用較廣。1994年康海軍等人在不同翅片間距和管排數(shù)下，研究了9種不同結(jié)構(gòu)平直翅片換熱器的換熱和阻力性能，得出了翅片間距、管排數(shù)對(duì)換熱和阻力性能的影響規(guī)律。2000年Ricardo等人對(duì)板間的流體進(jìn)行了三維模擬，借助可視模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了翅片間距對(duì)傳熱和流阻的影響。2008年傅明星l4對(duì)雙排平直翅片管換熱器進(jìn)行了三維模擬，結(jié)果表明翅片管順排比叉排的換熱效果差。1994年辛榮昌等人對(duì)三角形波紋型翅片管的研究發(fā)現(xiàn)，翅片間距的影響受控于管排數(shù)，翅片間距越小，阻力系數(shù)越大，而且管排數(shù)對(duì)阻力系數(shù)的影響很小。1997年Wang等人l6對(duì)18種不同結(jié)構(gòu)以及順排和錯(cuò)排條件下的典型波紋型翅片換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明波紋型翅片的換熱系數(shù)比對(duì)應(yīng)平翅片的換熱系數(shù)高55～7o，壓降損失比平翅片高66～140。1998年Madi等人對(duì)28種不同規(guī)格包括平翅片和波紋型的翅片管式換熱器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明波紋型翅片的換熱因子和摩擦因子都比平翅片大。1994年張慕瑾等人_8對(duì)3種不同管排數(shù)的百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行研究，指出在相同結(jié)構(gòu)的換熱器中，管排數(shù)越少，對(duì)流換熱系數(shù)越大。1998年Wang等人對(duì)17個(gè)不同結(jié)構(gòu)的百葉窗翅片管式換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出在不同雷諾數(shù)下管排數(shù)對(duì)換熱的影響規(guī)律。2000年Wang等人。。又分析了2種百葉窗翅片在濕工況下的換熱性能，結(jié)果表明在干、濕工況條件下，換熱特性對(duì)翅片間距和管排數(shù)的變化不太敏感。按表面形式換熱器可分為對(duì)稱翅片和非對(duì)稱翅片。非對(duì)稱翅片主要包括管中心距翅片兩邊距離不相等的非對(duì)稱翅片和開縫形式的非對(duì)稱翅片。

    目前，對(duì)開縫式非對(duì)稱翅片管換熱性能的數(shù)值模擬研究較多口。，但是對(duì)管中心距翅片兩邊距離不相等的非對(duì)稱翅片的研究顯見報(bào)道。本文通過研究非對(duì)稱翅片管換熱器的傳熱過程和傳熱效果，對(duì)比了其與環(huán)狀翅片管管束和光管管束的傳熱性能。1實(shí)驗(yàn)原理翅片換熱面最大的優(yōu)點(diǎn)是肋化系數(shù)大，但這會(huì)加大翅片間隙相對(duì)深度，使流體難以深入到翅根區(qū)域，管子基準(zhǔn)面和翅根附近出現(xiàn)流體停滯區(qū)，使原來有效的換熱區(qū)域失去其積極參與傳熱的活力。為此，本文提出了一種非對(duì)稱翅片，該翅片沿來流方向伸展，盡量減少背向來流方向的翅片面積。利用其非對(duì)稱的外形，交叉緊密排列翅片，使流體在翅片間流動(dòng)過程中反復(fù)分流、合流，提高湍流度，減薄邊界層，強(qiáng)化翅片表面?zhèn)鳠帷��?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的非對(duì)稱翅片形狀和管束排布如圖1、圖2所示。

    非對(duì)稱翅片換熱器由11根鑄鐵材料的翅片管組成，第l層和第3層有4根管子，中間層3根管子，中間層的管束與上、下2層錯(cuò)列布置，并且其翅片與上、下2層的翅片叉排布置，每層管束通過連箱并聯(lián)在一起。溫度測(cè)點(diǎn)布置在翅片頂端及根部、換熱器水側(cè)和空氣側(cè)進(jìn)出口，計(jì)算采用多次測(cè)量的平均值。為分析換熱效果，首先要得到對(duì)流換熱系數(shù)h：

    由于實(shí)驗(yàn)換熱器是交叉流式，因此平均溫差為：

    2實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)時(shí)首先加熱水箱中的水，再由水泵將其分別打人換熱器的3層管束，風(fēng)機(jī)直吹換熱器表面，翅片延伸方向迎著來流空氣，空氣與翅片和水形成強(qiáng)制對(duì)流換熱，最后水從換熱器出口返回水箱(圖3)。

    在換熱器入口和出口各有1個(gè)熱電偶，翅片管上設(shè)有編號(hào)1一編號(hào)15共15個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別布置在管壁上和翅片頂端，其中空氣進(jìn)口側(cè)的3根翅片管每根管布置有2個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在管子的兩端；空氣出口側(cè)的3根翅片管每根布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在管子的兩端及中間。實(shí)驗(yàn)前要檢查儀器，確保各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值準(zhǔn)確后，用加熱棒加熱水箱中的水，通過調(diào)節(jié)加熱棒及水箱蓋板，使水溫穩(wěn)定到一定溫度后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況見表1。

    測(cè)量并記錄水和空氣的進(jìn)、出口溫度，水流量、風(fēng)速以及管束上測(cè)點(diǎn)的溫度。3結(jié)果及分析4種工況下均為1，以非對(duì)稱翅片管式換熱器的翅片管總表面積A(A=0．881m2)為基準(zhǔn)求得對(duì)流換熱系數(shù)h，以光管外表面積As(A—O．4147m2)為基準(zhǔn)求得對(duì)流換熱系數(shù)h。，結(jié)果見表2。為了更好地說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別根據(jù)參考文獻(xiàn)中推薦的公式對(duì)相同參數(shù)條件下的光管管束和環(huán)形翅片管管束的換熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。由于文獻(xiàn)是在最佳條件下所得，所以理論計(jì)算光管和環(huán)形翅片管束的對(duì)流換熱系數(shù)要優(yōu)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過理論計(jì)算可得光管對(duì)流換熱系數(shù)h，環(huán)形翅片管束以總表面積為計(jì)算基準(zhǔn)的對(duì)流換熱系數(shù)h和以有效換熱面積為計(jì)算基準(zhǔn)的對(duì)流換熱系數(shù)hh(表3)[1516]。1)非對(duì)稱翅片管的換熱效果優(yōu)于普通光管管殼式換熱器。由表2、表3可得，4種工況下，換熱器總的換熱系數(shù)最低為44．73w／(m。·K)，折算成光管面積計(jì)算為95．036W／(m。·K)；最高為74．92W／(m。·K)，折算成光管面積計(jì)算為159．162w／(m。·K)。而常用光管管殼式換熱器熱交換流體為清水和氣時(shí)，傳熱系數(shù)為2O～70w／(m·K)。表4為非對(duì)稱翅片管與光管管束傳熱系數(shù)比值。由表4可見，非對(duì)稱翅片管的傳熱系數(shù)約為光管管束的3～4倍。可見，非對(duì)稱翅片管式換熱器的換熱系數(shù)比普通光管管殼式換熱器高，換熱效果更好。這主要是由于翅片擴(kuò)大了換熱管表面積，促進(jìn)了介質(zhì)的紊流，強(qiáng)化了換熱效果。2)相同參數(shù)條件下，非對(duì)稱翅片管換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管束。在相同翅片面積下，將非對(duì)稱翅片折算成普通環(huán)狀翅片，得到的翅片外徑為75mm。在相同的參數(shù)條件下，比較以翅片管外側(cè)總面積為基準(zhǔn)求得的環(huán)狀翅片管和非對(duì)稱翅片傳熱系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可見，非對(duì)稱翅片管的傳熱系數(shù)比環(huán)狀翅片高出60以上。這主要是由于在該實(shí)驗(yàn)中非對(duì)稱翅片管采用了翅片沿來流方向伸展，背向來流方向盡量減少翅片面積，并將翅片交叉排列的設(shè)計(jì)方案，從而流體在翅片間流動(dòng)過程中會(huì)反復(fù)分流、合流，提高了湍流度，減薄邊界層，使傳熱得以強(qiáng)化。3)風(fēng)量的改變影響換熱效果。實(shí)驗(yàn)顯示4種工況下，進(jìn)口水溫相同時(shí)，風(fēng)量減少一半，非對(duì)稱翅片管換熱器換熱量減少33．93，同時(shí)其換熱系數(shù)也會(huì)減小。相同參數(shù)條件下光管管束和環(huán)狀翅片管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別減小38．42、34．35，非對(duì)稱翅片管換熱器的減小幅度較小。這是由于風(fēng)量減少會(huì)造成風(fēng)速降低，使流體湍流度隨之減小，從而降低了換熱效果，而非對(duì)稱翅片管的湍流度和換熱效果要優(yōu)于其他二者，因此減小了風(fēng)量改變對(duì)其換熱效果的影響。4)非對(duì)稱翅片管的緊湊性優(yōu)于環(huán)狀翅片管。相同翅片面積的環(huán)狀翅片管束間的縱向截距為40mm，大于非對(duì)稱翅片的22．5mm，橫向截距與非對(duì)稱翅片相同為144mm。非對(duì)稱翅片管束所占空間體積為0．0278m。，環(huán)狀翅片管束所占空間體積為0．0330m。。相同換熱面積，二者的緊湊度分別為31．690、26．697m／m。，非對(duì)稱翅片管束緊湊度是環(huán)狀翅片管束的1．19倍。

    4結(jié)論1)在一定條件下，非對(duì)稱翅片管式換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管以及普通光管式換熱器。2)風(fēng)量的改變會(huì)影響換熱效果。3)非對(duì)稱翅片換熱器的緊湊度優(yōu)于相同換熱面積的環(huán)狀翅片，相同空間條件下可以布置更多的非對(duì)稱翅片管束，以獲得更好的換熱效果。