切片式整體鋁翅片(AIF)管的傳熱實驗研究

1、切片式整體鋁翅片（AIF）管的傳熱實驗研究李曉欣 朱冬生 汪 南 鄧先和 (華南理工大學(xué)強(qiáng)化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣州310641)提 要 介紹種新型的整體鋁翅片（AIF）管及其換熱實驗結(jié)果AIF管采用外翅片的形式增加換熱面積；翅片與介質(zhì)流動的管路為體結(jié)構(gòu)，消除了間隙熱阻，實驗在吸風(fēng)式風(fēng)洞實驗臺上進(jìn)行；對A管和其光管進(jìn)行對比性實驗，歸納出換熱無因次經(jīng)驗公式，實驗結(jié)果表明，AIF管確實有優(yōu)良的換熱效果，為新型翅片管的研究開發(fā).提供理論恢據(jù)。關(guān)鍵詞 翅片管，換熱器，AIF管，切片式整體鋁翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域及國防工程中，減小換熱器體積和重量，能夠節(jié)省材料，降低成本。開

2、發(fā)新型高效的換熱器，尤其是緊湊式換熱器具有重大的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的緊湊式換熱器其擴(kuò)展表面與其基管釬焊聯(lián)接在一起，發(fā)展受到釬焊技術(shù)的嚴(yán)重限制。而且，釬焊技術(shù)不可避免的缺憾大大影響了緊湊式換熱器的換熱性能的發(fā)揮，特別是翅片強(qiáng)度問題，以及由于釬焊聯(lián)接而引發(fā)的接觸熱阻，加上其嚴(yán)重的腐蝕問題，更是大大降低了翅片管的壽命。本文作者所要介紹的切片式整體鋁翅片(AIF)管（見圖1）是一種新型的高效節(jié)能換熱管。其最大的特點就是基管和擴(kuò)展表面做成一體結(jié)構(gòu)，結(jié)合率為100%，消除了接觸熱阻，從根本上解決了由于焊縫的缺陷造成的接觸熱阻和換熱效率下降的問題，從而有效地提高了換熱器的換熱效果。其體積小，質(zhì)量輕，翅片硬度高，

3、宜做成結(jié)構(gòu)要求較高的緊湊式換熱器。要在實際工程中推廣和使用這種新型換熱管，有必要先弄清這種換熱管的傳熱機(jī)理，得出其在不同使用條件下的傳熱性能經(jīng)驗公式。1 實驗方法1.1實驗裝置實驗在吸風(fēng)式風(fēng)洞上進(jìn)行，風(fēng)洞實驗臺如圖2、圖3所示。試驗風(fēng)道全長分為進(jìn)口段( 500mm×41mm)、實驗段(500mm×30mm)及測速段。風(fēng)道截面為矩形，進(jìn)口段與實驗段用一漸縮喇叭口來過渡，使來流平穩(wěn)。實驗段之前，裝有方形格柵作為整流用?？諝饨?jīng)實驗段后進(jìn)入測速段測速段后還裝有格柵，以減輕風(fēng)機(jī)進(jìn)口處旋繞氣流對前面的影響，并在法蘭連接處用橡皮隔振。換熱元件置于實驗段內(nèi)，分別為切片式整體鋁翅片(AlF)

4、管及其母管。熱水走管程，空氣從管外橫掠管束。擴(kuò)展實驗范圍主要靠改變風(fēng)速（通過調(diào)頻儀改變風(fēng)速），風(fēng)速先由低升高，再逐漸降低，如此完成一次循環(huán)。圖1 切片式整體鋁翅片( AIF)1 - 電動機(jī)；2 - 離心風(fēng)機(jī)；3 - 調(diào)頻儀；4 - 橡皮軟套管；5-格柵；6 - 水箱；7 - 傾斜式微斜計；8 - 金屬絲網(wǎng)；9 - 實驗管；10 - 格柵；11 - 風(fēng)道入口；12 - 熱電偶網(wǎng)圖2 實驗臺圖3 實驗測試段正式測試在系統(tǒng)正常運(yùn)行工況（溫度、風(fēng)速等）下，各運(yùn)行參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定5min后進(jìn)行；測試期間系統(tǒng)無泄漏；測試周期30min，每lOmin記錄讀數(shù)一次，以各組讀數(shù)的平均值作為計算值。實驗臺直接與計算機(jī)

5、聯(lián)接，測得的數(shù)據(jù)直接輸進(jìn)計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理。1.2實驗元件實驗的換熱元件分別為兩根切片式整體鋁翅片(AIF)管和一根未加工翅片的母管其實驗換熱元件的尺寸如表1所示。表1 實驗換熱元件尺寸參數(shù)第一根翅片管第二根翅片管光管翅片厚度 t/mm0.2690.267翅片高度 h/mm8.138.24翅片間距 s/mm1.181.54管外換熱面積 Ao/m20.14670.14710.0244實際翅片管長度 /mm494485實驗長度 L/mm500500500翅化比6.0126.0292 實驗數(shù)據(jù)處理在此實驗中，測出空氣掠過翅片管前后的溫度差及其流速，求出空氣側(cè)的換熱量Q1，測出管內(nèi)熱

6、水的進(jìn)出口溫度差及流量，求出管內(nèi)換熱量Q2，Q1和Q2在誤差范圍5%內(nèi)，由Q=(Q1+Q2)/2得出總的換熱量Q。翅片管的管外當(dāng)量直徑Deo： （1） （2）式中 Af管外翅片面積，m2； Ar管外光管部分面積，m2； n翅片數(shù)； a翅片管外截面長（含翅片），m； b翅片管外截面寬（含翅片），m。管外雷諾數(shù)Reo： （3）式中 Umax風(fēng)道最窄截面處的流速，m/s； vo管外空氣的運(yùn)動黏度，m2/s。單管的總傳熱系數(shù)K按式(4)計算： （4）式中 Q換熱總量，W； A翅片管管外面積，A=Ar+Af，m2； tm對數(shù)平均溫差，K。先算出管內(nèi)換熱系數(shù)，再分離出管外的換熱系數(shù)。管內(nèi)當(dāng)量直徑Dei按式

7、(5)計算： （5）式中 Ac管內(nèi)流道橫截面積，m2； P管內(nèi)流道濕潤周長，m。管內(nèi)雷諾數(shù)Rei： （6）式中 u管內(nèi)熱水流速，m/s； P管內(nèi)熱水運(yùn)動黏度，m2/s。按照這個公式，代進(jìn)實驗數(shù)據(jù)，得到的管內(nèi)雷諾數(shù)Rei均大于2×l04，在此范圍內(nèi)，屬于旺盛湍流區(qū)，這時用式(7)求努賽爾數(shù)Nui： （7）式中，Pri為飽和水的普朗特數(shù)，由管內(nèi)的熱水平均溫度查表得出1。求出管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hi： （8）式中 i熱水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；忽略壁面熱阻，得到K值的計算公式為： （9） （10）式中 ho翅外表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)； 翅片總效率； f翅片效率，

8、由文獻(xiàn)1查出； 翅化比，=Ar/Af；將所有的已知數(shù)據(jù)代進(jìn)式(9)，分離出管外換熱系數(shù)ho。管外空氣側(cè)的量綱換熱準(zhǔn)則數(shù)為： （11）式中 o空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；最后，由實驗數(shù)據(jù)回歸整理后可得到NuoRe。的關(guān)系式3。3實驗結(jié)果與分析3.1實驗結(jié)果最后得出的回歸公式如式(12)、式(13)。第一根翅片管 （12）第二根翅片管 （13）得到的各種對比圖線如圖4圖7。圖4 換熱量對比圖圖5 基于外表面積的總換熱系數(shù)對比圖圖6 管外換熱系數(shù)對比圖圖7 ReoNuo關(guān)系圖3.2分析及其應(yīng)用展望用于特殊場合的換熱器有著特殊的要求，比如車輛、航天航空交通工具和一些用于國防部門的換熱設(shè)備

9、這些機(jī)器的機(jī)動性能要求很高，發(fā)動機(jī)功率大。為了保證發(fā)動機(jī)的正常工作，要求其換熱器應(yīng)具有強(qiáng)大的換熱功能。其次由于這些機(jī)器的部件很多換熱器的允許布置空間有限，這就要求換熱器具有很高的緊湊度，現(xiàn)在更是提出軍用車輛的動力艙整體裝卸，這對換熱器尺寸的要求更加嚴(yán)格：另外，由于要求特殊，換熱器的翅片要有足夠的強(qiáng)度。目前軍用車輛的換熱和泵功消耗仍是一對矛盾，即在發(fā)動機(jī)扭矩最大或發(fā)動機(jī)輸出功率最大的時候往往出現(xiàn)發(fā)動機(jī)散熱不良的問題2。AIF管在緊湊性和換熱性能這兩方面都具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼?，此研究具有重大的現(xiàn)實意義?；谝陨纤械膶嶒灲Y(jié)果，AIF管可以成為優(yōu)秀的換熱器元件，特別適用于汽車空調(diào)一類的要求輕巧、

10、緊湊且耐用的換熱器。原因有以下幾點。(1)通過可視化流動試驗研究1分析，初步總結(jié)出AIF管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理：翅片與介質(zhì)流動的基管即一次傳熱面和二次傳熱面為一體結(jié)構(gòu)，結(jié)合率為100%，消除了間隙熱阻；介質(zhì)在三通道的矩形管內(nèi)流動，在入口介質(zhì)質(zhì)量流量不變的情況下，由于管腔當(dāng)量直徑的減少，有效增強(qiáng)了換熱；翅片做成一定的傾斜角度（對于一次換熱面），在相同的橫截面上排下更多的換熱管，使得換熱面積增大，或者使管子橫間距拉大，可減少流動阻力，從而減少風(fēng)機(jī)功率消耗；翅片沿高度方向的斷面呈鰭形分布，根部斷面面積較大而頂部面積較小，與翅片上熱流密度的分布相協(xié)調(diào)，有利于散熱。(2) AIF管的加工非常簡單，只需要用特殊

11、的刀具在母管兩邊同時一次切出鰭狀翅片，可在常溫下加工，免去一次換熱面和二次換熱面的焊接，徹底消除了以往緊湊式換熱器中不可避免的泄漏和腐蝕的問題，大大提高了換熱管的使用壽命(3) AIF管做成的換熱器小型、輕質(zhì)，安裝空間小，降低保冷費(fèi)用、降低冷損失效果；熱容量小，可縮短啟動時間，對運(yùn)行有利；鋁整體結(jié)構(gòu)，耐熱沖擊力強(qiáng)；鋁合金在低溫下，沒有強(qiáng)度降低，沒有脆性，相反，強(qiáng)度增大，代替低溫機(jī)器用的銅、不銹鋼等貴重材料；且可以在小溫差下操作（氣體換熱時），廢熱回收效果大5。4結(jié)論由于AIF管在換熱性能上具有以上種種優(yōu)點，所以曾一度被認(rèn)為是最先進(jìn)的車用冷凝器換熱管。中國標(biāo)致轎車的空調(diào)冷凝器換熱管就是采用這種結(jié)構(gòu)但是由于其需要專用的切削設(shè)備，彎管也需專用夾具，一時間難以大量推廣。廣州市廣研東基科技發(fā)展有限公司致力于研究開發(fā)AIF管，并已經(jīng)成功解決了管子的加工技術(shù)問題。隨著技術(shù)的日益成熟，AIF切片式整體鋁翅片管將在換熱市場上大有作為。如何將AIF管更有效地運(yùn)用于換熱器上，還有待進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)1 楊世銘，陶文銓傳熱學(xué)，北京：高等教育出版杜M1998.1621902 趙建勛無接觸熱阻緊湊式換熱器的實驗與優(yōu)化設(shè)計研究D，北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文20013 鄭咸義計算方法M廣州：華南理工大學(xué)出版社20021491614 馬曉茜、梁淑華空氣橫掠二種翅片管冷凝元件的對比實驗，電站輔