提高翅片管式换热器热力性能的方法

1、文章编号:1000-9957(200601-0068-04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

2、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、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TESC OR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

4、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

5、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-m a i:l li ged lf u1edu1cn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

6、 错列翅片换热器示意图图2 变间距翅片换热器示意图 F i g 11 Sk e mat i c of a stagger fin-tube hea texchanger Fig 12 Ske m atic of a varyi ng spaci n g fi n -tube heat exchanger与原有的等间距翅片管式蒸发器(4排6列,翅片300mm 66mm,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

7、蒸发器的传热系数提高了918%。计算公式为9:Nu =C R e m ,K =N u K /l , (适用于管排数>10,当管排数10时,K 1=E n K 式中:N u 努谢尔特数;C 系数,可查表;R e 雷诺数;m 指数,可查表;K (K 1传热系数(W /m 2#K ;K 导热系数(W /m #K;l 管长(m ;E n 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Q 0=2167k 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T a

8、b 11 th er m adyna m i cs co m parsion b et w een varyi n g and equal f i n-tube heat exchangers结构类型外表面积/m 2翅片表面积/m 2铜管外表面积/m 2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DG

9、Y170-24/12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

10、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 F i g 13 Sk e mat i c of equa l p itch inner screwth read tube Fig 14 Ske m atic of varying p itch inn er screw thread tube212 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

11、热系数提高了3182%。传热系数的计算公式为9:Nu =510+01025P e 018 (P e >100,K =N u K /l ,式中:N u 努谢尔特数;P e 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Q 0=4k 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P B =101325Pa ,室外温度t w =35e ,室内温度t i =27e ,相关数据及热力性能计算结果如表2所

12、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T ab 12 Th er modyna m ic co mpar ision b et w een varyi ng and equal thread pitch f i n-tube heat exchangers内螺纹管类型管内表面积/m 2肋化系数管内流通截面/m 2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

13、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

14、影响J.建筑热能通风空调,1999,(3:16-19.6 MARI NYNK B T.H eat and m ass tran sfer under frosti ng conditi onJ.In ternati onal Journal ofRefri gerati on,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

15、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 et hods for i m provi ng heat transfer i n fi n-t ube heat exc hangersLI G e 1,2,3, YU Gong -zh i 4, C HENG M u-j u n 5, Z HANG D ian -guang 2(1.K ey and Open Laborat ory of Aquatic Processi ng and U tili zation ofL iaon i ng Provi nce ,

16、Dali an F is heri es Un i v .,Dalian 116023,Ch i na ;2.Depart m ent of Food Processing ,Dali an Fis heries Un iv .,Dalian 116023,Ch i na ;3.Po w er E ngi neeri ng Depart m ent ofDa li an Un i versityof Techno l ogy ,D ali an 116023,C h i na ;4.Schoo l ofM echan i calEng i neeri ng ,Dali an F i sheri

17、es Un i v .,Dali an 116023,Ch i n a ;5.Dalian M ari ti m e Saf ety Adm inistrtion ,Dalian 116001,Ch i naAbst ract :I n order to opti m ize the struct u re o f fi n -tube hea t exchangers ,t w o m ethodsw as put for ward i n the paper .Under refri g erati o n condition ,the spacing of fi n s w as var

18、ied i n the easily-fr osted heat exchangers .Under air-cond ition i n g conditi o n ,t h e thread pitch o f the inner scre w thread tubes w as varied.The results have shown that the heat transfer coefficients i n the t w o cases can be i n creased by 9.8%and 3.82%re -specti v e l y .K ey w ords :heat exchanger ;fi n -tube ;hea t transfer coeffic i e n;t ther m odyna m ic calcu lation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,建立