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热质传递国际期刊 54（2011）2234-2240热质传递的国际期刊关键词：翅片 传热 换热器 空气-水 扩展表面摘要：这项课题研究了在高雷诺数（4000-13000）范围内，翅片间距和翅片物质对波纹翅片管换热器供风端特性的影响。测试样本是由含不同翅片间距(fp = 3.2, 4.2 and 6.2 mm)的铜和铝组成的。研究发现从纯计数器和并联电路的排列中提出的一次平均效率方程可以很好地表示当前z模型排列的效率-传质单元数关系。试验结果表明在传热特性中（科尔本j因子）翅片间距让人怀疑是无关紧要的影响。然而，当翅片间距增加到fp = 6.2 mm时，一种摩擦系数的可检测的增加是显而易见的。另一方面，翅片材料对于空气侧性能的影响是可以忽略不计的。1. 简介在包含热传递的很多工业过程中，换热器是热力系统中的一个基本设备。工业应用的换热器中，其中一个最有利的配置是以翅片管换热器的形式存在的。通常这种类型的换热器，主导热阻是在换热器的供风端。因此提高翅片的几何结构是增强传热性能的一个方法。许多翅片配置如光滑翅片、开缝翅片、百叶窗翅片、圆形翅片、环形翅片、螺旋翅片、复合翅片等已经在各种工业应用中使用了。在上述翅片配置中，螺旋翅片易于生产，它在工业服务中是很普遍的。然而，关于螺旋翅片管换热器的空气侧性能的研究却很少。根据这些文献，波纹螺旋翅片在工业应用中是相当可靠的。上述研究中，Nuntaphan等人是唯一用实验研究翅片间距对波纹螺旋翅片管换热器的空气侧性能的影响。但是，这项研究只讨论了空气前缘速度（0.5-1.5 m/s）很低时的影响。实际上，特别是工业服务，运行速度通常要高很多。因此，本研究的主要目的是扩大受翅片间距影响的螺旋式换热器的适用范围（Vfr达到6m/s）。此外，翅片材料对空气侧性能的影响也在研究中。2. 数据简化当前的工作是采用Wongwises和Chokeman的试验装置进行的，包括测试部分、供气、水环、测试设备和数据采集。空气和热水作为工质。相关部件的详细说明可以从以往的研究中看到。实验中，进水温度和水流量是固定的，而空气流量是改变的。之后测试在试验条件稳态时进行，如表1所示。热交换器的测试是由翅片管配置组成的，这种配置包含以铜或铝作为翅片的铜管。被测试的翅片管换热器的热水侧电路布局和详细尺寸如图1所示。波纹螺旋翅片图案的照片如图2所示。换热器的几何参数总结在表2中。测验在稳态条件下进行，总阻力可以从传质单元的UA积获得(-NTU)，然而总阻力是各个阻力的和，如下：1/UA = 1/hiAi + ln(do/di)/(2ktL) + 1/(ohoAo) （1）错流中一种流体的混合和另一种流体不混合的-NTU关系被用来确定总传热系数。从图1中可以看出，当前的混合电路布置是平行和逆向错流的结合。从先前的讨论中可知，多通道平行错流和多通道逆向错流配置的-NTU关系可以从参考文献9-11中获得，如式（2）和式（3）所示：对于Nrow = 2的多通道逆向错流：c = 1 - K/2 +（1-K/2）e2K/C*A-1 ,K = 1- eNTUA(C*A/2) (2)对于Nrow = 2的多通道平行横流：p = (1 - K/2)(1-e-2K/C*A) , K = 1- e-NTUA(C*A/2) (3)在C*=Cmin/Cmax和Cc/Ch或Ch/Cc等同的情况下，的值取决于冷热流体的热容率。然而，用于该实验的多通道平行和逆向错流是多通道平行错流的结合。因此它可以合理使用式（4）中的平均值关系，如下：p c=(p+c)/2 Nrow = 2 (4) Nrow = 2 时，线路布置的原理图如图3所示。数据简化的进一步细节可以从Wongwises和Chokeman的研究中看到。精馏径向翅片的效率是基于Gardner等人的推导。hf = 2/(1+)I1(Ro)K1(Ri)-I1(Ri)K1(Ro)/ I1(Ri)K1(Ro)-I1(Ro)K1(Ri) (5) = (ro-ri)3/22ho/(KfAp)1/2 (6) 因此空气侧的传热系数（ho）可以通过式（1）计算出。换热器的空气侧传热特性通常以无量纲的科尔本j因素为依据：j = Nu/(RedoPr1/3) = ho/(aVmaxCP)(Pr)2/3 (7)摩擦特性被称为范宁摩擦系数，正如Kays和London所描述的：f = （Amin/Ao）（m/1）（2P1/Gc2）-（1+2）（12-1） (8)当Gc是基于最小自由流动面积的空气质量流量时，Ao是总传热面积，Amin是最小流动面积。这项实验是根据ANSI/ASHRAE33标准进行的，这项标准中空气、波纹螺旋翅片的水和管换热器三者间的能量是不平衡的，实验表明|Qa-Qw|/Qave是小于0.05的。不确定因素是通过平均总和最小二乘法的根计算出的，j因子的12.30%和f因子的11.13%是最大的不确定因素。3.结果和讨论正如用来计算Nrow = 2时的科尔本因子的式（4）所示。使用式(4)的原因可以用图4（a）解释，这幅图显示了用受NTU和C*变化的式(2)-(4)对换热器效能的计算。很显然，当以高雷诺数运行时，使用逆流(式(2)或平行流(式(4)都是不适当的。就当前的流动结构而言，热交换器的效能取决于多通道平行错流和逆向错流。注意使用不适当的-NTU关系用于复杂的流动装置可能导致多达10%的误差，正如Navarro和Cabezea-Gomez所指出的。此外，在图4(a)中，使用式(4)得到的换热器效能被发现与从15得到的Z模型的仿真结果十分吻合。注意到Z模型与当前的电路结构类似。因此，式(4)可以作为实验的-NTU关系被提出，这种关系是多通道平行和逆向错流结构而言的。图4(b)和(c)说明了翅片间距对分别由铜和铝翅片组成的双排结构的换热器性能的影响。于此相对应的翅片间距是3.2mm、4.2mm和6.2mm。实验结果表明翅片间距对科尔本因子的影响很小。相反地。翅片间距对传热性能的影响则不然，Lee等，Mon、Gross、Kim和Kim都报道随着翅片间距的减少，传热性能有一个明显的下降。乍一看，似乎当前研究和上述研究存在一些争议。这种差异是由两个不同的方面一起的，随后会给出一个阐述。首先，当前的雷诺数和前述研究的是违背的。先前研究的雷诺数(Redo1000)比本研究的低很多。注意到当前雷诺数的范围大约从4000到13000.在这方面，更高的运行速度促进了更好的混合并带来了很好的传热性能，而且这种想象的流行与翅片间距的变化石无关的。其次，即便是地低雷诺斯(1000),Kim和Kim发现柯本尔j因子对翅片间距的依赖对一排线圈来说是很小的。结果是与边界层的形成相关的。Kim和Kim提供了适合于平板表面的边界层形成的分析，并得出结论：大翅片间距的翅片管换热器，边界层中断是不会发生的。这显示整个换热器在发展中地区，于此相对应的传热性能是高的，从而导致j因子对翅片间距的依赖是可忽略的。这其实与一个高运行速度相似。相反地，他们的四排线圈表明：在雷诺数相同的范围内，柯本尔j随着翅片间距的增加而增加。对于不同的翅片间距，入口区域在发展中地区，而其余部分是在完全发达地区。对于不同的翅片间距，发展中地区和完全发达地区长度的百分比是不同的，因此遇到了翅片间距的一种可检测的影响。Lee等认为随着翅片间距的减少，对流传热系数是减少的，这是由于随着翅片间距的减少，边界层变厚了，这可能使翅片间的边界层更容易中断。然而，高雷诺数会使这种现象减少。此外，雷诺数高于1000时，翅片间距对传热特性的影响会消失，这可以从Wang等的百叶窗翅片管换热器中发现。与此同时，表4(b)和4(c)也显示fp为3.2mm和4.2mm时，翅片间距对摩擦系数是没有显著影响的。另一方面，6.2mm的翅片间距对摩擦系数(f)由一个显著地影响。6.2mm翅片间距的摩擦系数要高于那些较小翅片间距的(fp=3.2mm，4.2mm).原因可以从式(8)中看出，因为摩擦系数取决于Amin/Ao和Gc的动态效应。注意到翅片间距从6.2mm变化到4.2mm或3.2mm时，Ao显著地增加了，但是Amin的减少是相当少的。另一方面，在整个面积比率中，翅片间距对Gc没有显著影响。上述分析可总结为fp=6.2mm时，摩擦系数会引起可检测的上升。为了比较当前的测试样品和以前的研究，图4(b)和(c)也计入了Wang 和Chang,Wang等、Briggs和Young对光滑和波纹翅片管换热器的相关分析。研究发现，fp=4.2mm时，波纹螺旋翅片与那些波纹翅片或光滑翅片有类似的趋势。然而，由于基于当前翅片结构的波纹折叠，它显示在相同雷诺数时，波纹螺旋翅片与光滑翅片相比有更高的摩擦系数。材料对空气侧传热特性的影响如图5(a)所示。结果表明，同一实验条件下，翅片材料对科尔本因子(j)或摩擦系数(f)的影响是可忽略的。某种程度上来说，预期的对流传热性能的结果是不依赖翅片材料的。相反地，可以清楚看到铜翅片的翅片效率(hf)是高于铝翅片的。原因可能通过式(5)和(6)解释，从中可知，高导热系数会产生相应的高摩擦系数。这一现象在图5(b)中被证实了。此外，两个翅片的传热率显示在图5(c)中。明显看出铜翅片的传热率只比铝翅片高一点，这是由于翅片效率间的细微差别。3. 结论这项研究调查了雷诺数4000-13000，加热条件合理的情况下，翅片间距对多通道z模型错流的波纹螺旋翅片管换热器性能的影响。共有6个分别与铜和铝相关的翅片材料被测试了。相关的翅片厚度和外部直径分别是0.4mm和34.8mm。管阵列的数量是2，翅片间距分别是3.2mm、4.2mm和6.2mm。研究发现从纯计数器和并联电路的排列中提出的一次平均效率方程可以很好地表示当前z模型排列的效率-传质单元数关系。基于实验结果，翅片间距对柯本尔j因子的影响是可忽略的，这是由于高雷诺数强调良好的混合，这导致了一个更好的与翅片间距变化无关的传热性能。与此同时，在fp=3.2mm和4.2mm时，摩擦系数是可忽略的。然而，当翅片间距增加到6.2mm时，摩擦系数的一种可检测的增加是可以看到的。此外，可以清楚的看到，空气侧性能是不受翅片材料影响的。参考文献1 Krasnoshchekov EA, Kuraeva IV, Protopopov VS.冷却条件下的超临界二氧化碳的局部传热.高温(由Teplofizika Vysokikh Temperatur翻译而来) 1970;7(5):85662.2 Baskov VL, Kuraeva IV, Protopopov VS.在冷却条件下超临界压力的液体湍流传热.高温（由Teplofizika Vysokikh Temperatur翻译而来）1977; 15(1):816.3 Pettersen J, Rieberer R, Leister A.冷却下的微管的超临界二氧化碳的传热和压降特性. IIFIIR Commissions B1, B2, E1, and E2, 2000:99106.4 Pettersen, J., Rieberer, R., Munkejord, S.T.在微管蒸发的二氧化碳的传热和压降特性. Commissions B1, B2, E1, and E2, 2000:10714.5 Gnielinski V.湍流管和渠道流的传热和传质的新方程. 国际化学工程1976;16(2):35968.6 Zingerli, A., Groll, E.A.传热冷冻机油和管冷却过程中的超临界二氧化碳压降的影响. IIFIIR Commissions B1, B2, El, and E2, 2000:26978.7 Pitla, S.S., Groll, E.A., Ramadhyani, S.湍流临界二氧化碳在管内冷却的传热系数的新关联，IIFIIR Commissions B1, B2, E1, and E2, 2000:25967.8 Fang X, Bu