提高翅片管式换热器热力性能的方法.pdf

第 21卷第 1期大连水产学院学报V o l 21 No 1 2 0 0 6 年 3月JOURNAL OF DALI AN FISHERI ES UNI VERSITYM ar 2 00 6 文章编号 1000 9957 2006 01 0068 04 提高翅片管式换热器热力性能的方法 李 革 1 2 3 于 功 志4 程 木 军5 张 殿 光2 1 大连水产学院 辽宁省水产品加工及综合利用重点开放实验室 辽宁 大连 116023 2 大连水产学院 食品工程系 辽宁 大连 116023 3 大连理工大学 动力系 辽宁 大连 116024 4 大连水产学院 机械工程学院 辽宁 大连 116023 5 大连市海事局 辽宁 大连 116001 摘要 对翅片管式换热器结构进行了优化设计和改进 并采用 TESCOR平台 换热器性能实验台 对改进前后的换热器的热力性能进行了测试 提出了强化翅片管式换热器换热性能的两种方法 一种 是将低温工况下易结霜的换热器 蒸发器 翅片管设计成变间距翅片结构 使其既增加了管内翅片 的传热面积 又提高了管内气流的流速 另一种是将空调工况下的换热器的等螺距内螺纹管设计成变 螺距内螺纹管 以增加管内气流的扰动 提高传热系数 并对用这两种方法改进后的换热器的热力性 能进行了计算 结果表明 其传热系数分别提高了 918 和 3182 关键词 换热器 翅片管 传热系数 热力计算 中图分类号 TK712 文献标识码 A 换热器作为一种通用设备 按照工作原理进行分类 可分为间壁式 混合式和蓄热式 3类 1 目 前 国内外最普通且应用最广的是间壁式 其它类型换热器的设计和计算常借鉴于间壁式换热器 对 换热器的的研究主要集中在如何提高其换热性能 2 3 文中作者提出了强化翅片管式换热器换热性能 的方法 对翅片管式换热器结构进行了优化设计和改进 采用 TESCOR平台 换热器性能实验台 对改进前后的换热器的热力性能进行了测试 并运用试验数据对其进行了热力对比计算 1 变间距翅片管式换热器 111 设计原理 用于低温制冷系统中的蒸发器在低温工况下 0e 以下 工作时 其表面普遍存在着结霜的问 题 结霜对换热器性能的影响表现在降低其传热系数和增大空气阻力两方面 合理的换热器结构应同 时减小这两方面的影响 4 5 霜开始形成时 蒸发器表面粗糙度增大 引起传热面积增大 同时气体 流速也增大 因而在结霜初期传热系数 K 增大 但随着霜层的不断增厚 传热的热阻力增加 最终 传热系数 K 减小 6 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 空气的相对湿度降低 沿 气流方向翅片盘管表面的结霜量逐渐递减 故蒸发器前几排管子的结霜较严重 后几排管子的结霜相 对较轻 如果采取变间距翅片的结构 使其沿风向下游的翅片间距越来越小 便可在结霜条件下保持 其较高的传热效率 并延长其冲霜时间 7 让蒸发器采用变间距翅片结构后 当空气纵掠错列翅片 时 翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用 加强了翅片前半部分的换热能力 后面翅 片的分布又使得流道变窄 流速提高 从而使翅片后半部分的换热也得到强化 8 112 变间距翅片换热器的热力性能 改进后的换热器 采用的是变间距翅片结构 在理论上可近似为错列翅片 因此 在分析中可借 收稿日期 2005 04 12 基金项目 辽宁省科技厅重点实验室专项资金资助项目 2005 作者简介 李革 1974 女 讲师 E ma i llige dlfu1 edu1 cn 用错列翅片的理论 图 1为流体纵掠错列翅片的一个二维模型 翅片间距为H 厚度为 h 图 2为改 进后的变间距翅片换热器的示意图 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 在前几排管上的翅片换热能力加强 当气流流经后几排管子时 经改进后加上的一组 翅片使其流通截面迅速变窄 流速提高 流体在原有的基础上又进一步受到挤压 扰动更加剧烈 从 而使其换热能力得到了强化 图 1 错列翅片换热器示意图图 2 变间距翅片换热器示意图 Fig11 Ske matic of a stagger fin tube heat exchanger Fig12 Ske m atic of a varying spacing fin tube heat exchanger 与原有的等间距翅片管式蒸发器 4排 6列 翅片 300 mm 66 mm 间距 10mm 相比 改进后 的变间距翅片结构的蒸发器其外形尺寸 高度 宽度和管总长度 并没有变化 但增加的翅片扩大 了传热面积 在结霜工况下运行时能保持较高的传热系数 通过试验测试和计算可得 采用变间距翅 片结构的蒸发器比等间距翅片结构的蒸发器的传热系数提高了 918 计算公式为 9 Nu C Re m K Nu K l 适用于管排数 10 当管排数 10时 K1 EnK 式中 Nu 努谢尔特数 C 系数 可查表 Re 雷诺数 m 指数 可查表 K K1 传热系数 W m 2 K K 导热系数 W m K l 管长 m En 修正系数 本试验的实际工况 工质为 R22 蒸发温度为 31e 蒸发器的送风温度为 25e 相对湿度为 95 利用焓差法可求出其制冷量 Q0 2167 k W 相关数据及热力性能的计算结果如表 1所示 表 1 变间距翅片换热器与等间距翅片换热器热力性能的比较 Tab 11 ther m adynam ics com parsion bet ween varying and equal fin tube heat exchangers 结构类型外表面积 m2翅片表面积 m2铜管外表面积 m2外 内表面积之比 传热系数 K W m 2 K 1 计算值测试值 等间距翅片111433091092 133610045118040112 变间距翅片1615895141282 131817249161645115 增加率 451157110 18645139181215 2 变螺距内螺纹翅片管式换热器 目前 对增大管式换热器的换热性能的研究 主要集中在异型管的开发上 综观各种不同形状的 强化管 均是从降低阻力和增加传热面积两方面进行强化换热 等螺距内螺纹管式换热器就是其中之 一 其结构如图 3所示 本试验中作者将光滑管加工成变螺距内螺纹管 其结构如图 4所示 使用国 产的 DGY170 24 12高速旋压器 经调试即可加工出所需的内螺纹管 10 以求进一步加强管内气 流扰动 增加管子的内表面积 强化换热系数 211 设计原理 内螺纹管内表面有连续而细密的螺纹沟槽 因其增大了管材内表面的散热面积 从而使内螺纹管 69第 1期 李革 等 提高翅片管式换热器热力性能的方法 的传热系数比无螺纹管提高了 115倍 已在国外空调上广泛采用 9 在国产的部分空调上也采用了内 螺纹铜管 在已加工好的光滑管壁内部加工内螺纹 可以扩大管子的内表面积 增加传热面积 同时 还可以破坏层流边界层 使管内的制冷剂的流态变成紊流 从而提高管内对流的传热系数 管内采用 变螺距螺纹 按照流体流动方向螺距从大变小 螺旋管内的流体在向前运动的过程中连续地改变方向 和流速 在横截面上引起二次环流 增强了流体的扰动 与原来等螺距螺纹相比 管内流体的传热系 数增大 9 图 3 等螺距内螺纹管结构示意图图 4 变螺距内螺纹管结构示意图 Fig13 Ske matic of equalpitch inner screw thread tube Fig14 Ske m atic of varying pitch inner screw thread tube 212 变螺距内螺纹翅片管式换热器的热力性能 经过结构改进 变螺距内螺纹管式换热器的内表面积比等螺距内螺纹管增加了 814 管内换热 系数增加了 4189 传热系数提高了 3182 传热系数的计算公式为 9 Nu 510 01025Pe 018 Pe 100 K Nu K l 式中 Nu 努谢尔特数 Pe 贝克来数 K 传热系数 W m 2 K K 导热系数 W m K l 管长 m 本试验的实际工况为正在使用中的汽车空调系统 空调负荷 Q0 4 k W 蒸发温度为 0e 进口 的空气状态参数 干球温度为 27e 相对湿度为 51 出口的空气状态参数 干球温度为 12e 相 对湿度为 90 现场大气压 PB 101 325 Pa 室外温度 tw 35e 室内温度 ti 27e 相关数据及热 力性能计算结果如表 2所示 表 2 变螺距与等螺距内螺纹翅片管式换热器热力性能的比较 Tab 12 Ther modynam ic comparision bet ween varying and equal thread pitch fin tube heat exchangers 内螺纹管类型管内表面积 m2肋化系数管内流通截面 m2 管内换热系数 W m 2 K 1 传热系数 K W m 2 K 1 计算值测试值 等螺距内螺纹管0102513141975103 10 519961853817336125 变螺距内螺纹管0102725161315191 10 520941484012137150 增加率 8149101715418931823145 3 结语 本试验中笔者对翅片管式换热器的结构进行了优化设计和改进 改进后的热换器尽管其理论计算 值和实际测试的结果均较理想 但由于只进行了单台测试 还不能充分证明改进后的结构完全可替代 原有的产品 相信随着机械加工与制造技术 计算机软 硬件技术的飞速发展 将会不断地优化换热 器的结构设计 更大程度地提高换热器的热力性能 使换热器更加节能 高效 70大连水产学院学报 第 21卷 参考文献 1 潘继红 田茂诚 壳管式换热器的分析与计算 M 北京 科学出版社 1996 2 陈坚 万锦康 曹广荣 等 冷风机传热系数影响因素的研究 J 制冷技术 2002 1 14 17 3 吴业正 制冷原理及设备 M 2版 西安 西安交通大学出版社 1997 4 王志刚 俞炳丰 国内外制冷空调用换热器的研究进展 J 制冷学报 1997 3 16 22 5 陈汝东 许东晟 结霜对热交换器特性的影响 J 建筑热能通风空调 1999 3 16 19 6 MARI NYNK B T Heat and mass transfer under frosting condition J International Journal ofRefrigeration 1980 3 6 366 368 7 杜建通 申江 邹同华 等 翅片管蒸发器换热表面的结霜特性与其结构设计的影响 J 低温与超导 2000 28 4 58 62 8 候海焱 魏琪 张战 错列翅片紧凑式换热器湍流流动及换热性能的数值研究与探讨 J 能源工程 2002 4 6 10 9 杨世铭 陶文铨 传热学 M 北京 高等教育出版社 1998 167 177 10 刘海全 新型内螺纹铜管旋压成型装置 J 新技术新工艺 1998 2 20 21 M ethods for i mproving heat transfer in fin tube heat exchangers LIGe 1 2 3 YU Gong zhi 4 CHENG Mu jun 5 ZHANG Dian guang 2 1 K ey and Open Laboratory of Aquatic Processing andU tilization ofL iaoning Province Dalian F isheriesUniv Dalian 116023 China 2 Department of Food Processing Dalian FisheriesUniv Dalian 116023 China 3 PowerEngineering Department ofDa lian University of Techno logy D alian 116023 China 4 Schoo l ofM echanicalEng ineering Dalian F isheries Univ Dalian 116023 China 5 DalianM ariti me Safety Administrtion Dalian 116001 China Abstract In order to opti m ize the structure of fin tube heat exchangers twomethodswas put forward in the paper Under refrigeration condition the spacing of finswas varied in the easily frosted heat exchangers Under air conditioning condition the thread pitch of the inner screw thread tubeswas varied The results have shown that the heat transfer coefficients in the two cases can be increased by 9 8 and 3 82 re spectively Key words heat exchanger fin tube heat transfer coefficien t thermodynam ic calculation 我校有 3项科研项目通过鉴定 2005年 12月 22日 由周一兵教授主持的 双齿围沙蚕人工育苗和虾池养殖技术研究 项目 在大 连市科技局的主持下圆满通过会议鉴定 与会专家一致认为 该项目以基础性研究带动应用技术开发 在查明双齿围沙蚕繁殖周期及其与温度和光照时间的基础上 准确掌握沙蚕亲体群浮规律 建