通过改进翅片设计强化翅片管换热器的传热

通过改进翅片设计强化翅片管换热器的传热摘要 这篇文章给出了一些仿效翅片管换热器设计的实验信息。在这个实验中，利用风洞检测了三种不同的翅片（薄板翅片，波纹翅片，混合翅片）。本文讨论了热交换系数、空气侧的压降，柯尔本系数（j）和相对于风速（13 m/s）、雷诺数（600-2000）的风管摩擦系数（f）。为了能阐明流体流动的现象，实现了流动的可视化，以此观察流体复杂的流动特征。实验结果显示：波纹翅片相对于薄板翅片来说，压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约10.9-31.9%，11.8-24.0%，2.2-27.5%和0.5-2.7%。另外，混合翅片相对于薄板翅片的实验结果显示：压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约33.5-63.1%，27.0-45.5%，6.9-71.1%和9.4-13.2%。总之，这个实验结果强烈地支持热交换器采用混合翅片结构。关键字 传热系数，压降，测量，流动显示，换热器，波纹翅片，薄板翅片，混合翅片1.引言合理利用翅片对于提高圆管和薄板翅片换热器的性能是一个非常有效的方法，这种方法被广泛的应用在空调，制冷和工业处理过程的多种设备中。我们已经知道在小型换热器中的空气流动是非常复杂的，这是翅片和空气流之间的复杂的作用造成的。传统的翅片管换热器，空气的阻力占据了总的热阻力的90%。所以，增加表面积经常能有效的提高翅片管换热器的整体性能。在文献1中，薄板翅片管换热器的可用的实验信息已经被提出，评价和对照。许多关于小型换热器的实验研究已经完成，利用紧凑型换热器加强建立在大范围空气流速上的换热性能和压降的协调性。关于换热器的最新研究重点在于开发新的不规则表面，因此，翅片型的新的设计标准已经被提出2-5。在文献3中Dong et al.用实验的方法研究了翅片间距，高度和长度对波纹翅片和薄板翅片管换热器的热交换性能和压降的影响。在文献6中Metwally and Manglik研究了二维周期性发展的层流和换热，实验在不同波纹比率的正弦型波纹管中进行的。在文献7中Jang and Wu研究了多排（1-6）薄板翅片管换热器的流动和热传递现象。他们发现平均努塞尔特数随着管排数从1增加到6而减小。随着排数增加大于4后，管排的数量对平均换热系数的影响很小。在文献8中Madi et al.在一个开敞的环形风洞中研究了具有不同参数的28个薄板翅片换热器的性能，这些不同的几何参数包括：管排数，翅片厚度，翅片、排和管之间的间距。结果用相对于以水力直径为基础的雷诺数的j和f因数的形式显示。研究发现翅片类型影响热交换和摩擦系数，并且管排数量对摩擦力的影响微不足道。雷诺数和翅片管的几何尺寸影响着管排数目的效果。在文献9中，Yun and Lee表明了间断的表面形状对家用空调翅片管换热器性能的影响。本文利用放大比例的实验模型来评价换热系数和压降，并且也进行了原型实验来检测放大模型试验的可信度。在文献1016中Wang et al.描述了翅片管换热器空气侧的性能，这些换热器有小的裂缝，波纹和装有小型条板的几何形状。分别检测了翅片间距，管排数和雷诺数对空气侧性能的影响，用基本关系式描述了指定的翅片配置的空气侧的性能。在文献17中Lozza and Merlo讨论了一个广泛调查的结果。这个调查是关于各种各样的翅片配置性能，和以此加强空气冷凝器和液体冷凝器换热性能的调查研究。对于条板翅片，条板的高度很大程度地影响它的性能，并且冲压过程的性能对于实现最好结果是必不可少的。这个研究是在风洞中，用带有三种加强翅片（薄板翅片，波纹翅片和混合翅片）的翅片管换热器分析空气侧热交换和压降，如图1a。讨论了相关参数的空气侧的压降，换热系数，气流摩擦系数（f）和柯尔本系数（j）。为了研究附加翅片在不严重损害换热器换热性能的情况下可以减少是否与压降有关，本文采用了就像涡流存在一样的可视化研究。另外，通过比较三种翅片的性能特征，选择出了应用于家用空调的最佳形式。AC 最小流通面积 （m2） T 温度（0C）Af 翅片面积（m2） Tb 平均温度（0C）AO 空气侧的总表面积（m2） Tw 壁面温度（0C）At 管的外表面积（m2） T 温度差（0C）Cp 常压下的特定压降（kJ/kg 0C） U 热交换器前端的空气流速(m/s)Dh 管的水力直径，Dh=4AcL/Ao（m）f 摩擦系数Gc 最小流通面积上的最大流速（kg/m2s） 希腊字母h 换热系数（W/） 动力粘滞系数j 柯尔本系数，（j = Nu/RePr1/3） 运动粘滞系数k 导热系数（W/m oC） 空气粘度L 热交换器的深度（m） 最小面积与前端面积的比率m 空气的质量流量（kg/s）Nu 努歇尔特数，Nu = hd/k 下标Q 热流量（w） 1 入口 压降（Pa） 2 出口Pr 普朗特数，Pr = Cp/k m 平均值Re 雷诺数，Re = GcDh/2.实验设定 2.1 实验装置和步骤图1a给出了测试装置的图示。在测试区，用1.0HP频率的轴流风机驱动空气。测试区用5mm厚的商用有机玻璃平台搭建。测试区的尺寸是：宽度270mm，高度270mm，长度850mm。热源由恒温热水池提供，加热器中产生的热气通过水槽里的水分配，并且散发到空气中。通过改变风机的出口速度来改变空气自由流动的速度。测试区的紊流水平小于0.73%，均匀性超过93%。图1b 显示了测试区的平均温度和压力值。入口和出口处流体的平均温度通过24个铜-康铜热电偶测量，压力分别的用校准的压力表测量。壁面温度（包括管束（8处）和翅片（40处沿测试区）通过48个铜-康铜热电偶测量。把热电偶珠慢慢嵌入壁面上，然后用表面冲蚀地面。热电偶的导线与一个记录器（180mm的混合记录器，AH3000, Chino）相连。在图2和图3中阐述被测试的翅片的结构。总的体积容量由一个孔板测量器来测量，这个测量器与压力计或者压力传感器粘贴在一起。另外，对于空气平均出口/入口速度，U，比托管的两个压力口与DP-103传感器相连。可视化流动实验的详细信息可以由以前Wen和Jiang的研究得到。单位：mm图1.（a）测试设备的流程图（b）测量区域的平均温度值和压力值2.2不确定性和数据的提炼在风洞中测量了带有三种不同翅片类型的换热器，换热器通过热水来加热。基于文献19中Kline and McClintock的研究进行了不确定性分析，评估了换热系数、压降、雷诺数、柯尔本系数和摩擦系数的不确定性。用实验方法确定平均换热系数，对于管束/翅片壁面由总的热转换率，总的热转换表面和平均壁面与流体的温度差来推断。 （1）这里空气的热物理性质通过相关的流体温度获得。Tw是管束/翅片的壁面平均温度，环境温度Tb由测试区的流体平均温度来确定。对于选用装置而言，流体温度的不精确测量误差是0.2 0C。对于h的不精确度影响因素中温度是主要原因，温度的影响在h的不精确评估中占据了2.1%。对于给定的运行模式，空气温度变化的测量实验中，壁面和环境平均温度差小于0.7%。测试区流体的雷诺数由下式给出：Re=UDh/ (2)这里U是流体进口平均速度，雷诺数是基于水力直径Dh得到的。主要的不精确性来自于容积流率。雷诺数的不精确度大概是3.3%，并且在所有的例子中均为常数。换热器的中心摩擦力由文献20中Kays and London提供的压降方程来计算，风管摩擦系数的关系式包括进口和出口的压力损失，计算公式如下： (3)这里Ao和Ac分别代表了总表面积和最小表面积。公式是最小面积和迎风面积的比率。柯尔本系数j定义如下： （4）对于柯尔本系数不精确度是2.6%，摩擦力系数是2.4%。最大的不精确度与最低的雷诺数有关。薄板翅片波纹翅片混合翅片图2.目前研究的翅片形式 顶视图 顶视图前视图 前视图翅片类型PlPtFsdodif排数薄板翅片22242.5410.3010.100.122波纹翅片22242.5410.3010.100.122混合翅片22242.5410.3010.100.122单位：厘米图3. 翅片结构的详细信息，（a）波纹翅片，（b）混合翅片，（c）翅片管换热器的命名3.结果和讨论在这个部分，随着以下的讨论，给出了实验的结果。在多种定风速条件下，对三种不同类型的翅片换热器，进行了空气的迫对流的一系列测试。在实验过程中，改变包括雷诺数和翅片类型的参数。雷诺数的跨度在600和2000之间；对于翅片类型，选择薄板翅片，波纹翅片和混合翅片。本实验认为设备的性能和测试的技术是满足要求的。通过空气横掠整个测试区域获得的能量与加热系统获得的能量相比较，在所有测试的基础上，分析发现：在3.6%时，能量平衡是冷人满意的。3.1流动可视化 为了呈现流动可视化，在三种类型中，流动从左到右，观察的视野仅仅包括带两个翅片的一个管，其中翅片开始于测试区进口的第一个管的下游，这是由于管间距过大和投影仪有限的光源产生的。在一个带有平翅片设备和两个涡流发生器（波纹翅片和混合翅片）纵向管排中，图4显示了流动模式的差异性。在图4a（Re=1000）中，由于薄板翅片的存在，在靠近薄板的流动是流速不均匀的涡流。然而，在流体流动区域内，翅片的主流区是层流。这个实验现象符合了文献21中Wen和Jang关于空气横掠圆柱障碍的研究。另外，随着Re的进一步升高（没有在这儿显示），贴近翅片的流动会很大的改变，其结果是，翅片上的流动变为紊流。尽管主体区的流动是紊流，但是它的边界层仍然是层流。这点可以在图4a-c中看出，这里在相对低的纵向间距下，有不同的翅片类型。但是，在流通区域，速度波动和加速度的影响，对于混合翅片管而言（图4c），比波纹翅片管（图4b）和薄板翅片管的高,这是由于混合翅片（在图3b中显示了混合翅片结构）的中段区域的突然改变，由于翅片和圆管之间的复杂的反应。改进的中断面性能增强了热转换方式，例如：边界条件的重新设定，流动的扰动等。一般，在翅片管换热器中的研究结果，从本质上看，与那些基于环形和三角涡流发生器流动的研究结果相符合22。涡流引起流体相互混合，在停滞区域，大大地加大了管的热交换能力。U形状的两个尖角是纵向的漩涡，在流动中，这个漩涡引起横断面的速度。在翅片管上，这些漩涡的轨迹应该显示热交换增加。在管束和翅片中的热交换能力比较低，但是，热交换能力低的翅片的尺寸和压力损失也相应的增加。（a）薄板翅片（b）波纹翅片（c）混合翅片图4.目前不同几何结构的翅片在Re=1000时流体流动的可视化3.2传热系数图5a给出了不同测试翅片相对于空气速度的传热系数。另外，为了更直观的表示，表1a给出了这个研究（波纹和混合翅片）和薄板翅片之间的传热系数比率的数据。表中显示，随着空气速度的增加，传热系数也相应的增加。而且，在相同的实验条件下，波纹、混合翅片与薄板翅片传热系数的比较分别是：1.11-1.32和1.34-1.63。对于波纹和混合翅片相对于薄板翅片的传热系数的显著增加，归因于在流通区域内，波纹和混合翅片相对于薄板翅片具有较高的波动速度和加速度。3.3 压降对于设计者来说，另外一个重要的问题是对测试区压降的评估，图5b给出了波纹翅片、混合翅片和薄板翅片压降的比较，图5b显示了因为空气流速的作用，三种翅片的压降情况，图中显示了三种翅片随着空气流速的增加，压降增加的趋势。可以看出，对于波纹翅片和混合翅片的摩擦力压降大约是11-32.1%和34.1-62.9%，与薄板翅片（表1b）相比较大。基于文献9Yun and Lee对双排翅片和文献10Wang et al.对于单排薄板翅片的研究，图5a和图5b分别地给出了h平均数和P的比较。不幸的是，由于不同的几何尺寸，很难精确的评估结果的意义，但是，结果显示h和P都随着空气速度的增加而增加。3.4 柯尔本系数和摩擦系数这个研究结果用无量纲的形式在图6中给出换热系数，图7中给出压力损失，对于三种特别的翅片类型，在前部测试区域空气流速从1变化到3m/s，雷诺数的变化与空气速度有关。图6显示了对于三种翅片，雷诺数对于柯尔本系数j的影响，分析图6，像预期的那样，j系数对于较高的雷诺数有所减小，另外，图6也给出了目前对于双排的薄板翅片的研究结果和文献8中Madi et al.的研究数据之间的比较结果。不幸的是，由于不同的几何尺寸，直接判定结果的正确性是错误的，但是，结果也显示了随着雷诺数的增加j系数减小，对于其他的翅片类型（波纹翅片和混合翅片），在雷诺数增加时，j系数的的变化与那些薄板翅片的研究一致。但是，对于波纹翅片和混合翅片，j系数大约是：2.2-27.5%和6.9-71.1%，在相同的条件下，这比薄板翅片大。混合翅片的j系数相对波纹翅片和薄板翅片有较大的增加，这是由于与波纹翅片和薄板翅片相比，混合翅片规律性的凹角产生相对较高和较大的涡流（图2和4）。另外，为了能直观的表示，表1c给出了这次研究（波纹翅片和混合翅片）j系数比率的数据，同时也给出了薄板翅片的数据。图7显示了对于三种类型翅片的雷诺数对摩擦系数f的影响。图7的分析显示，像预期的那样，对于较高的雷诺数，f系数减小。再者，图7也列出了目前关于双排薄板翅片的研究和文献8中Madi etal.的研究数据之间的比较。对于现在的薄板翅片，目前的数据是1-3%，比文献8中Madi etal.针对双排薄板翅片进行的研究而得到的数据高。对于另外的翅片类型（波纹翅片和混合翅片），根据雷诺数的增加，f系数的增加与薄板翅片是相似的。这次的研究结果与Dong et al.对于波纹翅片和平板换热器的研究结果是相似的。但是，波纹翅片和混合翅片的f系数大约是：0.5-2.7%和9.4-13.2%，这比薄板翅片在相同情况下的数据大。混合翅片相对于波纹翅片和薄板翅片，摩擦力系数f有一个较大的增加，这是由于混合翅片比波纹翅片和薄板翅片有较高和较大的涡流，这些涡流是由混合翅片的管束和翅片的较强的混合产生的，这些数据在图2和图4中给出。另外，为了能直观的表示，表1d给出了这次研究（波纹翅片和混合翅片）摩擦系数f比率的数据，同时也给出了薄板翅片的数据。表2列出了不同的翅片类型相对于薄板翅片的传热系数，实验数据显示：波纹翅片相对于薄板翅片来说，压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约10.9-31.9%，11.8-24.0%，2.2-27.5%和0.5-2.7%。另外，混合翅片相对于薄板翅片的实验数据显示：压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约33.5-63.1%，27.0-45.5%，6.9-71.1%和9.4-13.2%。图5.对于不同的测试翅片，在出口处流体平均流速下（a）换热系数的变化，（b）压降的变化表1 现有换热器传热性能评估换热系数的比率空气速度（m/s）1 1.5 2 2.5 3（a）换热系数（h）的增加 1.240 1.171 1.168 1.164 1.118 1.455 1.394 1.380 1.332 1.270（b）空气侧压降的比率 空气速度（m/s）压降比 1 1.5 2 2.5 3 1.109 1.262 1.319 1.257 1.164 1.335 1.471 1.631 1.491 1.417（c）j系数的增加 Re柯尔本系数比率 656 985 1313 1642 1970 1.005 1.020 1.003 1.027 1.027 1.335 1.471 1.631 1.491 1.471（d）摩擦系数(f)的增加 Re摩擦系数比率 656 985 1313 1642 1970 1.022 1.141 1.227 1.266 1.275 1.069 1.273 1.577 1.579 1.711图6. 对于现有的类型，柯尔本j系数与Re对比图7. 对于现存的类型，摩擦力系数f 与Re的对比表2 不同翅片类型与薄板翅片性能的比较翅片类型性能的增加（%）压力降 换热系数 摩擦系数 柯尔本系数 波纹翅片 10.9-31.9 11.8-24.0 2.2-27.5 0.5-2.7混合翅片 33.5-63.1 27.0-45.5 6.9-71.1 9.4-13.24.结论对于三种不同翅片（薄板翅片、波纹翅片和混合翅片）的换热器，进行了空气受迫对流的换热研究，雷诺数的变化在600和2000之间。从实验结果得出的主要发现是：1. 这种形象化流动研究不仅仅能显示管道中的主要特征，这些特征包括：围绕管束的涡流，速度的波动和翅片附近加速度效果，也能对对流换热提供定性信息。2. 在相同的实验条件下，波纹翅片和混合翅片相对于薄板翅片的换热系数比大约是：1.11-1.32和1.34-1.63。3. 波纹翅片和混合翅片的摩擦压降大约是：0.5-2.7%和9.4-13.2%，与薄板翅片相比是比较大的。4. 对于波纹翅片和混合翅片，j系数分别大概是：2.2-27.5%和6.9-71.1%，在相同的情况下，比薄板翅片大。5. 在相同的实验条件下，波纹翅片和混合翅片与薄板翅片的摩擦系数的比值分别是：1.02-1.2和1.07-1.71。6. 波纹翅片与薄板翅片的比较结果显示，压力降，换热系数，f系数和j系数分别增加约10.9-31.9%，11.8-24.0%，2.2-27.5%和0.5-2.7%。另外，混合翅片与薄板翅片的比较结果显示：压力降，换热系数，f系数和j系数分别增加约33.5-63.1%，27.0-45.5%，6.9-71.1和9.4-13.2。总而言之，这项研究明确地表明了换热器应该采用混合翅片结构。参考文献1 W.-R. Chang, C.-C. Wang, W.-C. Tsi, R.-J. Shyu, Air-side performance of louver n heat exchanger, in: 4th ASME/JSME Thermal Engineering Joint Conference 4, 1985, pp. 34673472.2 H.-T. Chen, W.-L. Hsu, Estimation of heat transfer coefcient on the n of annular-nned tube heat exchangers in natural convection for various n spacings, Int. J. Heat Mass Transfer 50 (2007) 17501761.3 J. Dong, J. Chen, Z. Chen, Y. Zhou, W. Zhang, Heat transfer and pressure drop correlations for the wavy n and at tube heat exchangers, Appl. Thermal Eng. 27 (2007) 20662073.4 S.Wongwises, Y. Chokeman, Effect of n pitch and number of tube rows on the air side performance of herringbone wavy n and tube heat exchangers, Energy Convers. Manage. 46 (2005) 22162231.5 J. Barman, A.K. Ghoshal, Performance analysis of nned tube and unbafed shell-and-tube heat exchangers, Int. J. Thermal Sci. 46 (2007) 13111317.6 H.M. Metwally, R.M. 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