翅片管式換熱器的傳熱能力強化方法

對換熱器的強化傳熱方法的研究，早已取得不少成果，如通過增加肋片、增強流體擾流等提高傳熱能力等等。從早期的鑄鐵式換熱器開始，人們就設法提高肋片的高度，減小肋片的厚度以提高傳熱能力，但是受制造水平和工藝的影響，肋片的高度和厚度已被限制在一定尺度。隨著制造水平和加工工藝的提高，發展了各種更高效的肋片。在空調行業中，象光管繞鋁翅片、皺折翅片、鑲片、軋片、套片、串片等翅片管式換熱器漸漸形成了行業的主力產品。隨著我國空調行業的成熟，各廠家為了追求更大的利潤空間，如何在現有的條件下生產出傳熱性能更好的翅片管換熱器，便成為一個重要的問題。本文通過對現有空調行業中常見的空氣處理機用銅管鋁串片結構換熱器的傳熱計算分析入手，對提高翅片管換熱器能力提出幾點看法
中央空調終端產品空氣處理機上常用的銅管鋁串片結構。銅管采Φ16*0.5，銅管叉排，管間距38mm。翅片材質為鋁翅片，厚度和翅片間距各廠家有所不同，翅片厚度為0.115mm，翅片間距3.63mm，翅片上有雙橋條縫以增加空氣擾流。翅片管式換熱器運行中，銅管內走工質水，換熱形式為管內流體強制對流換熱，外側為空氣，換熱形式為流體橫掠圓管的強制對流。管內側水的換熱過程中沒有相變，屬于單相換熱。對于管內外換熱均為單相流對流換熱，其換熱系數都和流體流速的冪指數成比例增長。流體流動分為層流和紊流，流體在其邊界層內速度梯度很大，而在邊界層外的流動核心區內，在流體流速法向方向上速度變化已經為零；紊流流體在層流底層中的速度梯度最大，而紊流邊界層紊流核心區的速度變化已經較為平緩。傳熱和流動相似，也存在邊界層，只是熱邊界層厚度要比流動邊界層小很多。層流和紊流強化的主要機理就是利用增加二次傳熱表面來破壞原來未強化的流體速度和溫度分布場。層流的換熱熱系數比較低，通常比較經濟的強化措施是產生渦流或變為紊流。同時提高流速后，能減少管內壁積垢，減少污垢熱阻。

另外，擴大換熱面積，也可以增加傳熱性能，因為換熱量是和管兩側傳熱熱阻有關的，換熱熱阻的降低，同樣也可以使換熱性能得到提高。

分析上面的結果，我們看到，無論是提高水或空氣的流速，換熱系數都會增加，但是增加的幅度并不完全相同。

我們發現，水側的換熱系數，是空氣側換熱系數的幾百倍，遠遠大于空氣側的換熱系數，所以，我們將水速從0.6m/s提高到0.8m/s時，傳熱系數增加的幅度很小，僅有10%左右，而將風速從1.6m/s提高到3.0m/s時，傳熱系數提高了近38%左右。而直接將翅片間距從3.63mm減少到2.5mm時，傳熱系數減少了，但是總的換熱熱阻降低35%左右，熱效果還是提高了。所以在換熱瓶頸處對換熱的加強才有意義。對于家用空調等有相變換熱的翅片管換熱器，管外側的傳熱強化和上述單相換熱管外側類似，管內側則分為冷凝和蒸發兩種情形，冷凝傳熱熱阻主要來自是冷凝膜厚度的導熱熱阻，強化傳熱主要是通過利用表面張力獲得很薄的冷凝膜厚度或及時從冷凝表面排走冷凝液；

蒸發換熱強化的機理則是薄膜態蒸發、對流沸騰和核態沸騰。同樣有相變傳熱的翅片管式換熱器的換熱瓶頸也是在管外側。

此處我們就對有相變換熱的翅片管換熱器的換熱形式不做展開的討論。傳熱強化是一個涉及面比較廣的問題，我們不僅要從傳熱性能上去分析，還要從實現工藝和成本去考慮，對于翅片管式換熱器，現在有許多種新型管材，比如波紋管，內壁面帶各式各樣內肋的管材等等，這些對傳熱性能增加都有很大的改觀，同時加工工藝要求也高了，成本也就增加了，比如上面的例子翅片間距減小，傳熱增加了35%左右，然而翅片的數量增加，導致翅片的成本卻增加了約45%。所以作為生產廠商，應綜合考慮才行。隨著生產的發展，各種經濟實用的管材會越來越多，翅片管式換熱器的性能價格比會越來越高.