切片式整体铝翅片(AIF)管的传热实验研究

1、切片式整体铝翅片（AIF）管的传热实验研究李晓欣 朱冬生 汪 南 邓先和 (华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室，广州310641)提 要 介绍种新型的整体铝翅片（AIF）管及其换热实验结果AIF管采用外翅片的形式增加换热面积；翅片与介质流动的管路为体结构，消除了间隙热阻，实验在吸风式风洞实验台上进行；对A管和其光管进行对比性实验，归纳出换热无因次经验公式，实验结果表明，AIF管确实有优良的换热效果，为新型翅片管的研究开发.提供理论恢据。关键词 翅片管，换热器，AIF管，切片式整体铝翅片管换热器广泛应用于国民经济的各个领域及国防工程中，减小换热器体积和重量，能够节省材料，降低成本。开

2、发新型高效的换热器，尤其是紧凑式换热器具有重大的现实意义。传统的紧凑式换热器其扩展表面与其基管钎焊联接在一起，发展受到钎焊技术的严重限制。而且，钎焊技术不可避免的缺憾大大影响了紧凑式换热器的换热性能的发挥，特别是翅片强度问题，以及由于钎焊联接而引发的接触热阻，加上其严重的腐蚀问题，更是大大降低了翅片管的寿命。本文作者所要介绍的切片式整体铝翅片(AIF)管（见图1）是一种新型的高效节能换热管。其最大的特点就是基管和扩展表面做成一体结构，结合率为100%，消除了接触热阻，从根本上解决了由于焊缝的缺陷造成的接触热阻和换热效率下降的问题，从而有效地提高了换热器的换热效果。其体积小，质量轻，翅片硬度高，

3、宜做成结构要求较高的紧凑式换热器。要在实际工程中推广和使用这种新型换热管，有必要先弄清这种换热管的传热机理，得出其在不同使用条件下的传热性能经验公式。1 实验方法1.1实验装置实验在吸风式风洞上进行，风洞实验台如图2、图3所示。试验风道全长分为进口段( 500mm×41mm)、实验段(500mm×30mm)及测速段。风道截面为矩形，进口段与实验段用一渐缩喇叭口来过渡，使来流平稳。实验段之前，装有方形格栅作为整流用。空气经实验段后进入测速段测速段后还装有格栅，以减轻风机进口处旋绕气流对前面的影响，并在法兰连接处用橡皮隔振。换热元件置于实验段内，分别为切片式整体铝翅片(AlF)

4、管及其母管。热水走管程，空气从管外横掠管束。扩展实验范围主要靠改变风速（通过调频仪改变风速），风速先由低升高，再逐渐降低，如此完成一次循环。图1 切片式整体铝翅片( AIF)1 - 电动机；2 - 离心风机；3 - 调频仪；4 - 橡皮软套管；5-格栅；6 - 水箱；7 - 倾斜式微斜计；8 - 金属丝网；9 - 实验管；10 - 格栅；11 - 风道入口；12 - 热电偶网图2 实验台图3 实验测试段正式测试在系统正常运行工况（温度、风速等）下，各运行参数达到稳定5min后进行；测试期间系统无泄漏；测试周期30min，每lOmin记录读数一次，以各组读数的平均值作为计算值。实验台直接与计算机

5、联接，测得的数据直接输进计算机，由计算机进行数据的采集及处理。1.2实验元件实验的换热元件分别为两根切片式整体铝翅片(AIF)管和一根未加工翅片的母管其实验换热元件的尺寸如表1所示。表1 实验换热元件尺寸参数第一根翅片管第二根翅片管光管翅片厚度 t/mm0.2690.267翅片高度 h/mm8.138.24翅片间距 s/mm1.181.54管外换热面积 Ao/m20.14670.14710.0244实际翅片管长度 /mm494485实验长度 L/mm500500500翅化比6.0126.0292 实验数据处理在此实验中，测出空气掠过翅片管前后的温度差及其流速，求出空气侧的换热量Q1，测出管内热

6、水的进出口温度差及流量，求出管内换热量Q2，Q1和Q2在误差范围5%内，由Q=(Q1+Q2)/2得出总的换热量Q。翅片管的管外当量直径Deo： （1） （2）式中 Af管外翅片面积，m2； Ar管外光管部分面积，m2； n翅片数； a翅片管外截面长（含翅片），m； b翅片管外截面宽（含翅片），m。管外雷诺数Reo： （3）式中 Umax风道最窄截面处的流速，m/s； vo管外空气的运动黏度，m2/s。单管的总传热系数K按式(4)计算： （4）式中 Q换热总量，W； A翅片管管外面积，A=Ar+Af，m2； tm对数平均温差，K。先算出管内换热系数，再分离出管外的换热系数。管内当量直径Dei按式

7、(5)计算： （5）式中 Ac管内流道横截面积，m2； P管内流道湿润周长，m。管内雷诺数Rei： （6）式中 u管内热水流速，m/s； P管内热水运动黏度，m2/s。按照这个公式，代进实验数据，得到的管内雷诺数Rei均大于2×l04，在此范围内，属于旺盛湍流区，这时用式(7)求努赛尔数Nui： （7）式中，Pri为饱和水的普朗特数，由管内的热水平均温度查表得出1。求出管内表面传热系数hi： （8）式中 i热水的导热系数，W/(m·K)；忽略壁面热阻，得到K值的计算公式为： （9） （10）式中 ho翅外表面换热系数，W/(m2·K)； 翅片总效率； f翅片效率，

8、由文献1查出； 翅化比，=Ar/Af；将所有的已知数据代进式(9)，分离出管外换热系数ho。管外空气侧的量纲换热准则数为： （11）式中 o空气的导热系数，W/(m·K)；最后，由实验数据回归整理后可得到NuoRe。的关系式3。3实验结果与分析3.1实验结果最后得出的回归公式如式(12)、式(13)。第一根翅片管 （12）第二根翅片管 （13）得到的各种对比图线如图4图7。图4 换热量对比图图5 基于外表面积的总换热系数对比图图6 管外换热系数对比图图7 ReoNuo关系图3.2分析及其应用展望用于特殊场合的换热器有着特殊的要求，比如车辆、航天航空交通工具和一些用于国防部门的换热设备

9、这些机器的机动性能要求很高，发动机功率大。为了保证发动机的正常工作，要求其换热器应具有强大的换热功能。其次由于这些机器的部件很多换热器的允许布置空间有限，这就要求换热器具有很高的紧凑度，现在更是提出军用车辆的动力舱整体装卸，这对换热器尺寸的要求更加严格：另外，由于要求特殊，换热器的翅片要有足够的强度。目前军用车辆的换热和泵功消耗仍是一对矛盾，即在发动机扭矩最大或发动机输出功率最大的时候往往出现发动机散热不良的问题2。AIF管在紧凑性和换热性能这两方面都具有很大的发展潜力，因此，此研究具有重大的现实意义。基于以上所有的实验结果，AIF管可以成为优秀的换热器元件，特别适用于汽车空调一类的要求轻巧、

10、紧凑且耐用的换热器。原因有以下几点。(1)通过可视化流动试验研究1分析，初步总结出AIF管的强化传热机理：翅片与介质流动的基管即一次传热面和二次传热面为一体结构，结合率为100%，消除了间隙热阻；介质在三通道的矩形管内流动，在入口介质质量流量不变的情况下，由于管腔当量直径的减少，有效增强了换热；翅片做成一定的倾斜角度（对于一次换热面），在相同的横截面上排下更多的换热管，使得换热面积增大，或者使管子横间距拉大，可减少流动阻力，从而减少风机功率消耗；翅片沿高度方向的断面呈鳍形分布，根部断面面积较大而顶部面积较小，与翅片上热流密度的分布相协调，有利于散热。(2) AIF管的加工非常简单，只需要用特殊

11、的刀具在母管两边同时一次切出鳍状翅片，可在常温下加工，免去一次换热面和二次换热面的焊接，彻底消除了以往紧凑式换热器中不可避免的泄漏和腐蚀的问题，大大提高了换热管的使用寿命(3) AIF管做成的换热器小型、轻质，安装空间小，降低保冷费用、降低冷损失效果；热容量小，可缩短启动时间，对运行有利；铝整体结构，耐热冲击力强；铝合金在低温下，没有强度降低，没有脆性，相反，强度增大，代替低温机器用的铜、不锈钢等贵重材料；且可以在小温差下操作（气体换热时），废热回收效果大5。4结论由于AIF管在换热性能上具有以上种种优点，所以曾一度被认为是最先进的车用冷凝器换热管。中国标致轿车的空调冷凝器换热管就是采用这种结构但是由于其需要专用的切削设备，弯管也需专用夹具，一时间难以大量推广。广州市广研东基科技发展有限公司致力于研究开发AIF管，并已经成功解决了管子的加工技术问题。随着技术的日益成熟，AIF切片式整体铝翅片管将在换热市场上大有作为。如何将AIF管更有效地运用于换热器上，还有待进一步的研究。参考文献1 杨世铭，陶文铨传热学，北京：高等教育出版杜M1998.1621902 赵建勋无接触热阻紧凑式换热器的实验与优化设计研究D，北京理工大学硕士学位论文20013 郑咸义计算方法M广州：华南理工大学出版社20021491614 马晓茜、梁淑华空气横掠二种翅片管冷凝元件的对比实验，电站辅