花瓣狀翅片管氣體換熱器(網(wǎng)上收集整體)

1、花瓣狀翅片管氣體換熱器（一）橫向沖刷花瓣狀翅片管的強化傳熱機理研究以空氣為介質(zhì)橫向沖刷花瓣狀翅片管（包括單管與管柬）進行強化傳熱與流阻性能實驗研究，并對其傳熱強化機理進行分析，結(jié)果表明，花瓣狀翅片管的非連續(xù)周向翅片具有極好的傳熱強化效果，在實驗范圍內(nèi)（Re=1022×104），本文提出了橫向沖刷花瓣狀翅片管傳熱性能的計算方法與理論分析模型，其計算結(jié)果與實驗值符合良好。關(guān)鍵詞：花瓣狀翅片管 管殼式換熱器 橫向沖刷 強化傳熱花瓣狀翅片管是一種有三維翅片的新型強化傳熱管1，具有較高的強化傳熱性能。從傳熱管的剖截面上看象個花瓣而得名。其強化傳熱的機理包括兩方面：一是花瓣狀翅片增加了換熱面積，

2、提高傳熱負荷；二是間斷的翅片反復(fù)地激發(fā)傳熱邊界層上的湍流，使傳熱滯流底層減薄或斷裂從而起到強化傳熱效果2。由于該種翅片管具有很好的傳熱強化性能，對此管型的強化傳熱機理研究將有助于提高氣體管殼式換熱器的傳熱性能。1實驗實驗流程為空氣一水系統(tǒng)的常規(guī)傳熱實驗，換熱管內(nèi)通熱水，水溫6575，流速1.52.5m/s冷空氣沖刷管外，進口溫度1530，沖刷流速0.513m/s。橫向沖刷單管與順排管束的實驗風(fēng)洞截面尺寸為41×500mm，長1.5m橫向沖刷錯排管束的實驗風(fēng)洞截面尺寸為180×500mm，長1.5m風(fēng)洞外用工業(yè)毛氈絕熱。因橫向沖刷錯排管束實驗過程氣流量大，需用笛形管氣體流量計

3、（接補償式微壓差計）進行間接測量氣流量，實驗前采用畢托管測量流速并校正笛形管氣體流量計的讀數(shù)誤差。其它實驗過程用轉(zhuǎn)子流量計測量流量(精度2%)，溫度由精密水銀溫度計測量（精度0.05）。流動阻力采用補償式微壓差計(精度0. iOPa)測量，兩測壓點相距440mm。在橫向沖刷實驗?zāi)Ｐ椭?，分流柵的作用是分流風(fēng)機來氣，使氣流均勻沖刷換熱臂。實驗前通過調(diào)節(jié)分流柵，采用畢托管測試換熱管處氣流截面上的流速均勻性，保證截面上流速分布不均勻性小于15%。實驗過程管內(nèi)水放熱與管外氣體吸熱一般相差5%以內(nèi)。管外給熱系數(shù)由測取的總傳熱系數(shù)扣除管內(nèi)傳熱系數(shù)（按光滑管內(nèi)傳熱系數(shù)計算）而得。實驗中管內(nèi)傳熱系數(shù)為管外的20

4、80倍，即臂外傳熱系數(shù)高出總傳熱系數(shù)k值5%以內(nèi)，在k值測定準確條件下，可保證管外傳熱系數(shù)分離值與實際值偏差小于5%。本文實驗所用的花瓣狀翅片管尺寸參數(shù)如表1，管外為花瓣狀翅片，管內(nèi)為光滑管。 表1 花瓣狀翅片管尺寸及翅片參數(shù)(單位：mm)管束參數(shù)dodfLL1pfS1S2單 管15.518.305205001.610.11-順排管束15.518.305205001.610.114070錯排瞥束18.921.594003501.590.103050 為保證本文實驗結(jié)果的可靠性，各先做光滑管的傳熱與流阻性能實驗，通過與傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)3分析比較，偏差5%以內(nèi)，得以驗證后再做強化傳

5、熱管的傳熱與流阻性能實驗。圖1花瓣狀翅片管模型 1-蓄水池（內(nèi)設(shè)電加熱絲）；2-水泵；3-水閥開關(guān)；4-轉(zhuǎn)子流量計；5-氣流分流柵；6-殼體（外包扎隔熱毛氈）；7-換熱管（光滑管或花瓣管）；8-U形彎接頭；9-水銀溫度計；10-測壓點（接水數(shù)壓差計）W=500mm；B=40mm；S2=70mm；L=440mm圖2 橫向沖刷換熱管束實驗流程示意圖 圖3 錯列管束布置圖B=150mm；S1=30mm；S2=50mm 實驗結(jié)果分析2.1實驗結(jié)果a 傳熱性能實驗結(jié)果1-光滑管單管；2-順排光滑管束；3-錯排光滑管束4-花瓣管單管；5-順排花瓣管束；6-錯排花瓣管束b 流阻

6、性能實驗結(jié)果1-光滑管單管；2-順排光滑管束；3-錯排光滑管束4-花瓣管單管；5-順排花瓣管束；6-錯排花瓣管束圖4 橫向沖刷花瓣狀翅片管傳熱與流阻性能圖 表2 橫向沖刷實驗數(shù)據(jù)分析管 型單 管順排管束 錯排管束ReNuBuNuBuNuBu光滑管8×10350.40.391363.20.303148.80.5616花瓣管8×10370.40.402665.40.329493.20.7116光滑管2×10487.50.3110113.00.244284.60.4850花瓣管2×104166.90.3254138.40.2656213.00.575

7、9 2.2實驗結(jié)果分析從圖4 a,b及表2可以看到，橫向沖刷花瓣狀翅片臂在大雷諾數(shù)Re的情況下表現(xiàn)出更優(yōu)越的強化性能。對錯排花瓣管束Re=2×104時，按實際換熱面積計算的傳熱系數(shù)比光滑管提高1.52倍（按光坯管面積計算提高3.74倍），而流體阻力只增18.7%單管型橫向沖刷的傳熱性能與錯捧管束相近，順排管束則整些，主要原因是前排管改變了流體對后排管的沖刷點，從而削弱了迎風(fēng)面部分的傳熱3。Re較低時(Re<2×104)花瓣管按實際換熱面積計算的給熱系數(shù)比光滑管低，主要原因是沖刷流速小時氣流在相鄰翅片面上發(fā)展的層流邊界層互相疊加形成流動死區(qū)，猶如以翅尖為直徑的

8、換熱管進行換熱。隨著沖刷流速提高，翅片面上的邊界層減薄，翅片對氣流的擾動增大，花瓣管的給熱系數(shù)隨Re增大的趨勢比光管快，而流動阻力的變化與光管相當。3 邊界層理論分析強化傳熱機理下面用邊界層理論分析橫向沖刷花瓣管強化傳熱的機理4。為簡化推導(dǎo)過程，可把流體流過翅片管上相鄰翅片間的圓弧基底矩形通道的過程簡化為流過平板上直翅片矩形通道的過程，井把翅片上對流換熱過程視為平板上的對流換熱過程。通過對邊界層熱流方程的近似求解得到平板上層流邊界層5： （1）式中，對空氣Pr0.7則有 （2） （3）本文把花瓣管不連續(xù)的三角形翅片當正三角形翅片處理。翅片受氣流沖刷的速度分布如圖5所示翅片根部與基管接合處氣流流

9、速為零，流體流過基管面形成的邊界層如圖點線所示。在該邊界層內(nèi)，沖刷翅片的流速應(yīng)當由該邊界層內(nèi)的速度分布方程所描述。設(shè)邊界層的平均厚度為m，在三角形翅片下半部分y=0m面積部分受流速u=0U沖刷，y=mh的上半部分面積均受流速u=U沖刷。由于花瓣管翅片面積較小，花瓣管迎風(fēng)面到背風(fēng)面上的各翅片的沖刷速度從uo變化到umax，再到uo，計算翅片表面的平均給熱系數(shù)時可取U=(uo+umax)/2作為特征速度。氣流在基管表面上形成的層流邊界層平均厚度： （4）下面推導(dǎo)翅片y=mh面積部分的給熱系數(shù)。如圖5b取坐標原點在頂點，取微元條塊長為，寬為dy ，其給熱系數(shù)為： （5）邊界條件：y=0時，l=0；y

10、=l1時，l=a1。從y=0到y(tǒng)=h1積分上式，求出三角形翅片面積的平均給熱系數(shù): （5）a 翅片面邊界層分析模型b 翅片面簡化分析模型圖5 花瓣狀翅片傳熱分析模型 如圖5a下面推導(dǎo)翅片面積部分的平均給熱系數(shù)。設(shè)y=0m處邊界層內(nèi)的速度分布為拋物線形式，即U=(u/m2)y2，且，則有： （7）個三角形翅片表面的平均給熱系數(shù)： （8）花瓣管束的平均給熱系數(shù)： （9）式中hmo為花瓣管的光滑基管表面的平均給熱系數(shù)，可以按照與花瓣管束相同布置狀況的光滑管束的傳熱實驗經(jīng)驗公式進行計算。下面根據(jù)本文橫向沖刷錯捧花瓣管束的實驗條件利用上述方法計算花瓣狀翅片管的平均給熱系數(shù)。錯排翅片管的光滑基管

11、表面的平均給熱系數(shù)為： （10）本文花瓣管的肋化系數(shù)P為1.88。下面試以u0=1.8，3和4m/s進行計算，hm為113.9，153.0和180.9W(m2·)，本文橫向沖刷錯排花瓣管束的實驗值為96.5，151.8和196.8W (m2·)，計算值誤差分別是18.0%，0.8%和8.07%?？梢?，在高Re下計算值比實驗值略偏低，而在低Re下略信高，其原因是：在計算值中未考慮翅片面上形成的邊界層對基管面?zhèn)鳠岬挠绊懀魉俚蜁r層流邊界層較厚，在翅根面及基管交界表面處由于邊界層的疊加使實際傳熱性能變差沖刷流速較高時，間斷翅片對邊界層的割裂分離作用更強烈使翅片尾部產(chǎn)生渦流進而破壞

12、下個翅片及基管表面的層流邊界層，使之減薄，實際上傳熱效果增強，但流體阻力比光滑管明顯增加。從花瓣狀翅片管的傳熱性能分析實倒可以看到，翅片的傳熱性能是影響強化傳熱的關(guān)鍵?；ò旯荛g斷的三角翅片能強制地分離邊界層，使翅片面上的邊界層反復(fù)地形成與分裂，從而使邊界層在翅片面上未充分發(fā)展即告分離，并且三角翅片激發(fā)的渦流能夠更有效地促進傳熱界面上的傳熱。4 結(jié)論(1)本文進行橫向沖刷光滑管和花瓣管（包括單管、管束）的實驗研究，光滑管實驗研究結(jié)果與其它文獻提供的參考數(shù)據(jù)符合，故本文各試驗裝置及研究結(jié)果具有較高的可靠性。(2)實驗結(jié)果表明，花瓣狀翅片管強化傳熱性能較高，實驗范圍內(nèi)(Re=1032×l0

13、4)，沖刷流速越大，強化傳熱效果越好。(3)本文利用層流邊界層理論分析花瓣狀翅片管的強化傳熱機理，并成功提出理論分析模型與計算方法，計算結(jié)果與實驗值符合良好。利用本文提出的計算方法可以預(yù)測花瓣狀翅片管不同翅片參數(shù)的傳熱性能。本文研究結(jié)果將給管殼式換熱器的傳熱強化研究與設(shè)計以及生產(chǎn)實踐提供有價值的參考。致謝衷心感謝王世平、林培森教授及詹亞韶、魏銓森同志為本文提供花瓣狀翅片管進行實驗研究。符號說明a三角翅片的邊長，mmp翅片間距，mma1平均邊界層m邊長（=a-2mtg30），mmPr普蘭特準數(shù)（Cp/）a2翅片底長(=a)，mmRe雷諾數(shù)（=dou/）B風(fēng)洞寬度，mmS1換熱管束的橫向排列間距，

14、mmdo傳熱管外徑，mmS2換熱管束的縱向排列間距，mmdf翅片管翅片外徑，mmT溫度，Bu流體阻力系數(shù)，歐拉數(shù)= 2P(u2)U流體速度，m/sh翅片高度，mmuo管束入口沖刷速度，m/sh1翅片面積的高度（=h-m），mmUmax管束中最小流通截面處氣流最大沖刷速度，m/shm換熱管的平均給熱系數(shù)，W/(m2·)流體邊界層厚度，mmhmf翅片管的翅片面的平均給熱系數(shù)1翅片厚度，mmhmo翅片管的光滑基管表面的平均給熱系數(shù)m氣流在基管表面上形成的層流邊界層平均厚度，mmK換熱器的總傳熱系數(shù)，W/(m2·)t熱層流邊界層厚度，mmL換熱管的長度，mm導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2&#

15、183;)Nu傳熱努歇爾準數(shù)（=hmdo/）流體粘度，Pa·sP翅片管肋化系數(shù)密度，kg/m3參考文獻1 王世平，林培森，詹亞韶等中國專利ZL93-2-042791. 1993.2 鄧先和，王世平，林培森等·華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1995, 23 (2)3 蘇AA茹卡烏斯卡斯著，馬昌文等譯換熱器內(nèi)的對流傳熱科學(xué)出版杜，19864 詹清流空氣以多種流動方式?jīng)_刷花瓣狀翅片管的強化傳熱與流阻性能研究（華南理工大學(xué)碩士論文）1996.35 天津大學(xué)等合編化工傳遞過程化學(xué)工業(yè)出版杜1980,花瓣狀翅片管氣體換熱器（二）橫向與縱向沖刷花瓣狀翅片管的強化傳熱性能比較以空氣為介質(zhì)

16、，以縱向流動方式?jīng)_刷光滑管與花瓣狀翅片管進行管殼式換熱器殼程的傳熱強化與流阻性能實驗研究實驗結(jié)果表明，與文（一）的橫向沖刷情況相比，在相同功耗下，Re=2×104時，按實際換熱面積計算，橫向沖刷花瓣狀翅片管比光滑管提高給熱系數(shù)135,8，縱向沖刷花瓣管僅與光滑首的給熱系數(shù)相當，文中通過設(shè)計實例的比較得到橫向沖刷是花瓣管空冷器設(shè)計方案的較佳選擇。關(guān)鍵詞： 花瓣狀翅片管管殼式換熱器縱向沖刷橫向沖刷花瓣狀翅片管是一種有三維翅片的新型強化傳熱管，見文（一），具有較高的強化傳熱性能。由于這種非連續(xù)的周向翅片對橫向與縱向流體沖尉的強化傳熱機理不一樣，效果也有差別，對這兩種沖刷方式的傳熱強化比較可

17、為花瓣管管殼式換熱器的設(shè)計提供重要的參考數(shù)據(jù)，并尋找流體對該管型的最佳沖刷方式。1 實驗設(shè)備橫向沖刷實驗裝置見文（一）。縱向沖刷實驗流程為空氣一水系統(tǒng)的常規(guī)傳熱實驗，見圖1。換熱管內(nèi)通熱水，水溫6575，流速1.53m/s，冷空氣沖刷管外，進口溫度2530，沖刷流速18m/s。換熱器殼體截面尺寸為26,2×71.4mm，長1.400m，殼體外側(cè)用工業(yè)毛氈絕熱。實驗過程甩轉(zhuǎn)子流量計測量（精度2%）流量，溫度由精密水銀溫度計測量（精度0.05）。流動阻力采用補償式微壓差計(精度0.1OPa)測量，兩測壓點相距l(xiāng)000mm。實驗過程管內(nèi)水放熱與管外氣體吸熱一般相差5%以內(nèi)。管外給熱系數(shù)由測

18、取的總傳熱系數(shù)扣除管內(nèi)傳熱系數(shù)（按光滑管內(nèi)傳熱系數(shù)計算）而得。實驗中管內(nèi)傳熱系數(shù)為管外的80倍以上，即管外傳熱系數(shù)高出總傳熱系數(shù)耳值2以內(nèi)，在K值測定準確條件下，可保證管外傳熱系數(shù)分離值與實際值偏差小于5。本文實驗所用的花瓣狀翅片管尺寸參數(shù)如表1，管外為花瓣狀翅片（翅片模型見文一），管內(nèi)為光滑管。為保證本文實驗結(jié)果的可靠性，各先做光滑管的傳熱與流阻性能實驗，通過與傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)1分析比較，偏差8%以內(nèi)，得以驗證后再做強化傳熱管的傳熱與流阻性能實驗。表1 換熱管尺寸參數(shù)(單位，mm)管束參數(shù)dodtL2pfS方形排列15.518.314001.610.11251 殼體（外包扎陌熱毛氈）L1=l00

19、0mm；L2=l400mm2 U形彎接頭 W=714mm；S=25nm3 換熱管（光滑管或花瓣狀翹片管） t=26.2m圖1 縱向沖刷實驗設(shè)備示意圖2 實驗結(jié)果分析2.1實驗結(jié)果圖2 縱向沖刷花瓣狀翅片管傳熱與流阻性能圖表2 縱向沖刷實驗數(shù)據(jù)分析管型ReNuf光滑管2×10311.30.02241花瓣管2×1039.740.07314光滑管1×10438.10.00931花瓣管1×10446.70.040632.2實驗結(jié)果分析從圖2及表2可以看到，縱向沖刷花瓣管在雷諾數(shù)Re低時傳熱性能較差，原因是流體沖刷速度越小便翅根越大部分面積被滯流底層完全覆蓋，按照

20、實際換熱面積計算，花瓣管的給熱系數(shù)比光管還低。Re=2×103時，按實際換熱面積計算的給熱系數(shù)比光滑管低13.8%（按光坯管面積計算比光滑管提高77.2）流動阻力增大2.26倍。Re>3×103時花瓣狀翅片管的強化性能開始體現(xiàn)，Re=104時按實際換熱面積計算的給熱系數(shù)比光管提高22.6%（按光坯管的面積計算則提高1.52倍），流動阻力增大3.36倍?？紤]到無折流板的管殼式換熱器中縱向沖刷管束的流阻損失只占總流阻損失的30%左右3，故花瓣狀翅片管對縱向沖刷型換熱器仍有實際應(yīng)用價值。橫向沖刷花瓣管實驗結(jié)果見文（一）中圖4及表2。雷諾數(shù)Re較低（Re<23×

21、;103）時，按實驗換熱面積計算，橫向沖刷花瓣管的給熱系數(shù)也可低于光管，原因是沖刷流速低時氣流在相鄰翅片面與基管表面上形成的邊界層較厚，邊界層間的相互疊加使換熱面的實際傳熱效果變差，甚至在相鄰翅片面間形成流動死區(qū)使傳熱性能惡化。提高沖刷流速時，間斷翅片對邊界層的割裂分離使用更強烈使翅片尾部產(chǎn)生渦流進而破壞下個翅片及基管表面的層流邊界層，使之減薄，傳熱效果迅速增強。因此，翅片的傳熱性能是影響強化管換熱的關(guān)鍵，花瓣管間斷的三角翅片能強制地分離邊界層，使翅片面上的邊界層反復(fù)地形成與分裂，激發(fā)的渦流能夠更有效地促進傳熱界面上的傳熱。3 強化傳熱性能評價按Webb的強化傳熱性能評價方法3，文獻4以管外強

22、化為例，設(shè)傳熱熱阻集中于管外空氣側(cè)的傳熱邊界層，不考慮污垢熱阻，在同等傳熱負荷、傳熱溫差和流體損耗功率條件下比較強化傳熱管與光滑管各自所需實際換熱面積Ao與Aoc。 （1）且 （2）如果進一步把傳熱系數(shù)Nu、阻力系數(shù)簡化表述成如下形式： （3） （4）則有： （5）把式(2)(5)代入式(1)得： （6）按文（一）與本文實驗數(shù)據(jù)代入式(6)得到強化傳熱性能評價分析結(jié)果，見表3與圖5。與光滑管相比，花瓣狀翅片管管束在高雷諾技工況下發(fā)揮出優(yōu)越性，受橫向沖刷錯排布置Re=2×104時可節(jié)省實際換熱面積57.6%(節(jié)省光坯管面積77.4)，順排布置管束時可節(jié)省實際換熱面積22.3%（節(jié)省光坯

23、管面積58.7%）?？v向沖刷花瓣管束在雷諾數(shù)Re較高時方可節(jié)省實際換熱面積，Re為2×104時節(jié)省實際換熱面積僅有5.1%（節(jié)省光坯管面積49.8%），但使換熱器裝置更緊湊，縮短約一半的管長。圖3 強化傳熱性能評價比較圖表3 強化傳熱性能評價數(shù)據(jù)分析參 數(shù)ResAo/AosAo/(Aos·P)ko/koskoP/kos縱向沖刷1041.0460.5560.9561.797花瓣管束2×1040.9490.5021.0531.980橫向沖刷順1040.9310.4951.0742.020排花瓣管束2×1040.7770.4131.2872.420橫向沖刷錯1

24、040.5920.3151.6883.174排花瓣管束2×1040.4240.2262.3584.4345 結(jié)論(1) 本文進行縱向沖刷光滑管和花瓣管（包括單管、管束）的實驗研究，光滑管實驗研究結(jié)果與其它文獻提供的參考數(shù)據(jù)符合，故本文各試驗裝置及研究結(jié)果具有較高的可靠性。(2) 花瓣狀翅片管強化傳熱性能較高，不論橫向還是縱向沖刷，在實驗范圍內(nèi)(Re=1032×104)，沖刷流速越大，強化傳熱效果越好。在相同功耗下，按照實際換熱面積計算（見表3），Re=2×104時橫向沖刷花瓣狀翅片管比光滑管提高給熱系數(shù)135.8%，縱向沖刷提高給熱系數(shù)5.1%。(3) 本文通過管

25、外強化傳熱性能評價，認為花瓣狀翅片管束管殼式換熱器在節(jié)約金屬材料方面有獨特的經(jīng)濟效益。橫向沖刷錯排花瓣管束Re=2×104時能節(jié)省實際換熱面積達57.6%，節(jié)省光坯管面積77.4%。(4) 由本文設(shè)計實例可看到，橫向沖刷流動方式是空冷器設(shè)計方案的較佳選擇。對花瓣狀翅片管束管殼式換熱橫向沖刷比縱向沖刷可節(jié)省換熱面積56.1%。表4 空冷器設(shè)計方案及其參數(shù)比較設(shè)計項目沖刷類型縱向沖刷橫向沖刷光滑管空冷器花瓣管空冷器光滑管空冷器花瓣管空冷器殼程換熱管管徑mm16×1.513×1.516×1.516×1.5管子長度m1.251.230.740.37傳熱管數(shù)目16299112×272×2按熱