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通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优化设计,然后对其换热性能与改进前换热器进行对比计算,结果是改进后的换热器的传热系数得到了提高。
一、调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距。
1、设计原理
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,空气由于除湿作用相对湿度降低,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的,如果采取变片距结构,可以在结霜条件下保持其较高的传热效率,并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时,实际上已构成了翅片的错列分布,当空气横掠错列翅片时,翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用,由于前面翅片的绕流,翅片的前半部分换热加强,后面的翅片的分布又使得流道变窄,流速提高,翅片后半部分的换热也得到强化。
2、变翅片间距的结构示意图及对比计算
由于该改进方案采用的是变翅片间距形式,在理论上可近似认为是错列翅片,因此在分析中可借用错列翅片的理论。图1 是所研究的流体纵掠错列翅片的一个二维模型,翅片间距为H ,厚度为t 。
由于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,因此在前几排管上的翅片换热加强,当气流流经后几排管子时,由于流通截面迅速变窄,流速提高,使流体在原有的基础上又进一步受到挤压,扰动更加剧烈,因此通过后加上的一组翅片,使换热也得到了强化。
通过变翅片间距的结构改进,冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下,在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数,且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9. 8 % ,且传热面积有所提高,通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的(图2) 。
对于翅片管式换热器,其传热系数的计算采用下列公式。式中: hi ,h0为管内制冷剂和管外空气侧换热系数(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 为管内、外面积( m2 ) ; β为管内外面积比; ri , r0为管内、外表面的污垢系数( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率(W/ (m·K) ) ;η为肋化效率; di , d0为管子内/ 外径(m) 。对于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系统,经过结构改进,其热力性能计算结果如表1 所示。
二、加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。
1、设计原理
2、变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算对等间距内螺纹翅片管换热器管内螺纹进行改进,由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变,使之内表面积比等间距增大8. 4 %,传热系数增大3. 82 %,管内换热系数也增加了4. 89 %。等间距与变间距内螺纹管结构示意图如图3、图4 所 式中: f m为单位管长管子平均面积(m2 ) ; f i为单位管长管子内面积(m2) ; f 2为单位管长管子总外表面积(m2) ;αi为管内对流换热系数(W/ (m2· K) ) ;αw 为管外对流换热系数(W/ (m2· K) ) 。
对于汽车空调系统,当负荷Q0 = 4 kW ,其热力性能计算结果如表2 所示。
由于霉菌生长周期长，故实验采用人工加速霉变的方法使翅片管换热器表面生长霉菌。根据标准GB/ T 2423.162-1999，选用且空调中普遍生长的黑曲菌标准菌株(A TCC 16888，第4-5代) 进行人工加速培养。研究选用4个附带亲水层的人字波纹翅片管换热器，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝合金翅片，如图1 所示。图中，s、b、l1 、l2 和θ分别为翅片间距、翅片厚度、翅片投影长度、翅片高度和波纹角。其中3个换热器进行翅片表面霉变处理，处理后霉菌面积分别约占换热器空气侧表面积的10 %、30 %和60 %，经过霉变处理后的照片如图1所示。
1)、轧制成型翅片管（extruded fin tube）；
2)、焊接成型翅片管（高频焊翅片管、埋弧焊翅片管）；
3)、滚压成型翅片管；
4)、套装成型翅片管；
5)、铸造翅片管；
6)、张力缠绕翅片管；
7)、镶片管。
空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也称风冷式冷凝器，制冷剂在管内冷凝，制冷剂放出的热量被空气带走。这种冷凝器中有自然对流空气冷却式冷凝器和强制对流空气冷却式冷凝器。由于空气的对流传热系数很低（25～35 W/m·2K），空冷式冷凝器的传热效率不如水冷式，冷凝温度与冷凝压力均较高。
另外，在换热负荷一定的情况下，空冷式冷凝器所需传热面积比水冷式冷凝器大，故而设备体积和质量均庞大，占地大。但是可冷热两用，初投资低，系统维护管理相对简单。空冷式冷凝器在工程实际中的应用十分广泛，既可用于制冷系统，也广泛应用于空调系统。其大的优点是不需冷却水，因此特别适用于缺水地区或者供水困难的场合，在小型制冷空调领域应用尤为广泛。
3）蒸发式冷凝器
蒸发式冷凝器是以蒸发冷凝和显热交换为基础，制冷剂放出的热量同时由冷却水和空气带走。制冷剂在管内流动，冷却水在管外喷淋蒸发时吸收气化潜热，使管内制冷剂冷却和冷凝。蒸发式冷凝器中，省去了冷却水在冷凝器中的显热传递阶段，使冷凝温度更接近空气的湿球温度，可比水冷式冷凝器系统低3～5℃，从而大大降低压缩机的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系统的1/3左右。
我国蒸发式冷凝器的开发和应用相对滞后，以往多应用于大型的氨制冷系统。近年来，由于电力资源紧张和水资源匮乏，蒸发式冷凝器作为一种节能节水型换热设备，其研究和应用得到了广泛重视，促进了蒸发式冷凝器产品技术的成熟和进一步应用。目前，已有一些生产厂家在结构上对其进行了完善，使之应用于中央空调机组。
对于那些需要进行控制的冷冻空调系统和运行环境恶劣的场合，蒸发式冷凝器更容易满足工艺控制要求。工程应用表明，采用该产品替代传统的“水冷式冷凝器+凉水塔”方式，增加的初投资一般能在一年左右即可收回，经济效益明显。
2、冷凝器中常用的强化传热翅片管
传热过程是热量从一种流体通过固体壁面传给另一种流体的过程。工程实际中，强化换热器的换热性能主要从强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热过程入手。常用的强化传热技术有:
(1)表面涂层；
(2)粗糙表面；
(3)扩展表面；
(4)各种内外螺纹管；
(5)扰流元件；
(6)添加物；
(7)冲击传热。在各种强化传热技术中，在壁面上加装翅片，作为增强传热的一个主要手段，在工程中得到广泛应用。翅片管式换热器具有传热、结构紧凑等特点，已被广泛地应用于制冷空调装置、航空航天设备、太阳能集热器和电子设备等各个领域中。在冷凝器中的应用尤为普遍。
翅片管的种类很多，而且还在不断涌现新的品种，在这方面的研究也较多[4～6]。大体上可按加工工艺、翅片形状、材质、用途等几个方面对翅片管进行分类。在冷凝器中，常用的翅片管有以下几种形式。
1）内螺纹管
2）整体型螺旋翅片管
3）螺旋槽管
螺纹类翅片管、套片式翅片管、波纹管、螺旋扭曲管、螺旋绕片管等传热元件在冷凝器中得到了广泛的应用，传热效果得到了显著提高。除此之外，新齿形传热管还在不断出现。与光管相比，它们具有下述共同特点：
(1)不同形状的翅片均可使传热壁面变得粗糙，从而破坏静止的层流边界层，提高对流换热系数，使换热得到不同程度的强化；
(2)在负荷一定的条件下，冷凝器所需面积可大大减小；
(3)根据大多数人的常识，粗糙的翅片管表面容易引起结垢；事实上，由于粗糙表面引起的紊流破坏了静止的附面层，会使污垢难于附着；即使有污垢附着，污垢也呈现离散的鳞片状，设备运行中温度的变化使管子发生膨胀和收缩，会因污垢与管壁材料间的胀差巨大而引起剥离，在介质的冲击下自行脱落。而光管垢层为圆柱体，无任何自脱力。因此，翅片管的结垢情况并不比光管严重多少。
冷凝器的应用范围十分广阔，特别是在制冷空调系统中。冷凝器作为主要的传热设备之一，其性能的好坏直接影响到装置的总体工作性能。因此，冷凝器传热过程的强化得到了越来越广泛的重视。
为了提高冷凝设备的整体性能，通过管子形状或表面性质的改造来强化传热过程以提高冷凝器的效率，已成为国内外冷凝器发展的一种趋势。柏恩翅片管换热器所采用的紧凑型串片式管片系统，它是一种新型的传热元件。其独特的片型结构和加工工艺流程，使得空冷器产品具有更加紧凑的外形尺寸，更高的换热效率和更轻的重要。
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翅片管式换热器总传热计算
采用平壁导热计算公式，总传热计算方程：
( l ）翅片材料的导热系数为常数；
( 2 ）翅片厚度远小于翅片高度与翅片宽度；
( 3 ）翅基温度、翅周围介质温度、翅表面与周围介质的对流传热系数均为常数；
( 4 ）翅端绝热。
由于空气侧或烟气侧的换热系数很低，因此我们一般采用翅片管。此外，当流体流过翅片管束时，须克服一定的流动阻力，因而会产生压力降△P ，压力降越大，说明消耗的动力越大。所以压力降的计算也是一个应该关注的问题。
1 ．流体绕流翅片管束时的管外换热系数
换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。换热系数我们用 h 来表示，其单位是： W /（㎡.℃）。翅片管的排列有顺排和叉排之分，由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。
顺排流动叉排流动所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。
这里 Briggs和 Young 的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。其标准误差在5％左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果：
式中，
df , db ：翅片外径和基管直径；
Y , H ：翅片间隙和高度；
入，μ和 Pr 分别为流体的导热系数，粘度系数和普朗特数。
根据流体温度查流体物性表得到；式中的 Gmax 是流体在窄截面处的质量流速，单位是 Kg /（㎡.s) . 所谓窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。由上式可知，影响换热系数 h 大的因素是流速，与 Gmax 的0.718次方成正比。如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。
2．流体绕流翅片管束的流动阻力
Robinson 和 Briggs 对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。实验范围是：
上式中， K 是纵向管排数， f 是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：
由上两式可见，影响翅片管束压力降△P的主要因素是：
是流速，与Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；
第二是管间距，几乎与 Pt 的一次方成反比。
所以，为了降低阻力，可以选用较大的管问距和降低流体的流
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