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低翅片管是什么 关于低翅片管的详细介绍

低翅片管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的肋片。翅片管多用于空调的冷凝器、蒸发器的换热元件,低翅片管常用于冷凝器中。

简介

由光管及“附着”在其上的翅片构成的,结构参数主要为翅片管内径、外径,翅片管壁厚,翅片节距、翅片厚度及翅片高度等。

低翅片管主要是靠管外肋化 (肋化系数为 2~3 ) 扩大传热面积,与光管相比,在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积。从直观看属于第一次强化传热,但实质上是换热面积增大的同时带来了传热系数的提高,肋片能使传热表面剥离流动层,使传热表面扰动增加而改善传热效果,二次强化了传热。影响肋化表面强化传热的主 要因素是翅片高度、翅片厚度、翅片片间距以及翅片材料的导热系数等。此外,由于传热壁面的一侧被扩展成翅片表面,光滑侧的对流换热、基壁的导热等对其总传热量都产生一定的影响。低翅片管的翅片间距尺寸需要根据液体的表面张力和流动产生的对液膜的剪力来确定 。 [1] 

实际应用证明低翅片管还具有优良的抗污垢性能,因为污垢往往是沿着波峰边缘形成平行的垢片,在运行时随着温度变化,管子会膨胀和收缩,这种”手风琴“式 的胀缩作用,会阻止污垢生成。而在光管上,污垢将在管子壁面形成一层圆柱体,没有任何自然机理阻止污垢产生。由于翅片较低,低翅片管的清洗方法及难度与光管完全一 样。另外,低翅片管是采用普通光管作毛坯,经简单的滚压加工而成,其机械强度和耐腐蚀性状亦不亚于原光管坯,完全可以保证换热器长期可靠地工作。 [1] 

性能参数

低翅片管有两个重要的参数来描述其性能,分别为翅化比 β 和翅片效率η。翅化比用“β”来表示,其定义可由公式引出: β =翅片管总的外表面积/原光管外表面积; β 越大说明翅片管的换热面积扩大的越厉害,其换热性能也随之增强。翅片管在换热过程中,假设管内流体的温度高于管外流体的温度,热量由管内经管壁从翅片根部沿翅片高度以热传导方式向外传递,同时翅片还与周围流体发生对流换热, 最终使得沿翅高方向翅片温度逐渐下降,其原理如下图所示:

低翅片管

低翅片管

如图 1-4 所示,沿翅高方向翅片温度逐渐减小,说明翅片与周围流体间的温差在逐渐减小,由对流换热的热量公式可知,温差减小时,翅片单位面积的换热量也随之减小。翅片越高,其增加的面积对换热的强化作用就越小,为此介绍一个新概念——翅片效率 η。

η=Q/Q

式中 Q—翅片表面的实际散热量; Q—假定翅片表面温度等于翅根温度时的理论散热量。如果翅片效率小于 1,此时增加 1 倍的翅片散热面积,散热量却没有增加 1 倍,这里散热量就打了个“折扣”,此“折扣”就是翅片效率。经验表明翅片效率受翅片的高度、厚度、形状等因素影响,其中翅高对其影响最大,翅高越大,翅片效率就越小,由此可见翅片的换热面积越大,其换热性能并不是就越理想。 [2] 

制造工艺

翅片管的加工方法有很多,可通过焊接、套装、镶嵌等工艺将翅片"粘接“到基管上,也可通过轧制、滚压等压力加工法在光管上加工出翅片来,近年来有学者综合压力加工和机械加工的优点创造性的提出了一系列复合加工方法,如夏伟等人提出了“劈切—挤压”加工方法,吴斌等人提出了“双面犁法”,李言教授等人提出了“切削—挤压成形方法”来加工整体翅片管。下面以“劈切—挤压”法为例,介绍其加工工艺:

劈切—挤压加工方法 这是一种结合无屑切削与挤压的复合加工方法,此法是按通常的切削加工方式在普通车床上加工翅片管;在专用刀具将管表面金属劈切开后,随着挤压量的增加,金属沿径向和轴向流动,通过径向和轴向挤压使金属塑性变形形成翅片。

低翅片管

低翅片管

低翅片管则是运用滚轧法(三辊斜轧)加工生产的,其工作原理为:在光管内衬一芯棒,管料在轧辊刀片的带动下做螺旋直线运动,通过轧辊轧槽与芯棒组成的孔型在其外表面上逐渐加工出翅片。为了更利于翅片成型,轧件在变形过程中采用咬入、辗轧、整形三个阶段,使加工出来的翅片完整、光滑、规则,这种方法生产出来的翅片管因基管与外翅片是一个有机的整体,因而没有接触热阻损失和电腐蚀的问题,具有良好的传热效率且抗变形能力较强。 [2] 

强化传热

翅片管是以对流换热的形式进行热量传递的,由对流换热的数学表达式Q=hAΔT 可知,对流换热量与换热面积 A、温度差△T 及对流换热系数 h 成正比,扩大换热面积以提高传热量是一有效途径,但如果只是简单的增大设备体积来获得更多的换热面积,这种方法在工程运用中不可取,实际运用中只能通过优化换热表面的结构,以增大单位体积的换热面积,从而使换热器紧凑、高效,现在经常使用翅片管、螺纹管及板翅式换热面等形式来扩展表面传热。当换热元件确定了,换热面积 A 及温差△T 基本都已确定下来,提高换热量就可通过提升对流换热系数 h 来实现,在翅片管换热器稳定运行时,且翅片管壁厚较小的情况下,对流传热系数 h 可近似表述为:

低翅片管

式中: h—管内流体的换热系数; δ-管壁厚度;h—管外流体的换热系数; τ-管材的导热系数。

对于翅片式传热管,其管材基本为铜、铝等导热系数很大的金属,且管壁厚度δ 相对而言很小,故右式中的第二项的值很小,可忽略不计,上述的对流传热系数可整理简化为 h=(1/ h+1/ h) ,由此可知若要提高对流换热系数h ,可通过提升管内及管外的流体换热系数h、 h,当 h、 h的数值大小相差很大时,总的换热系数h的值主要取决于较小的那个换热系数h ,这说明提升更小的那个传热系数对翅片管的换热具有十分明显的强化作用。

对流换热系数主要由以下因素决定:一是流体的种类及其物理性质,不同的流体(液体或气体)其换热系数相差很大;二是换热过程中流体是否发生相变,若有相变发生,其换热系数将会明显提高;三是流体的流速和换热表面的形状。以空气加热器为例,管内流通热水,管外流通空气,由于管外空气侧的换热系数远低于管内水侧的换热系数,这阻碍了水侧换热“能力”的发挥,由此可看出换热过程的“瓶颈”是在管外空气侧,限制了换热量的增幅。为克服这种“瓶颈”效应,在空气侧的管外加装翅片,大幅增加管外换热面积,以此弥补空气侧换热系数低的不足,极大提高了换热量,其原理如图 1-9 所示: [2] 

低翅片管

低翅片管

影响因素

结构参数主要为翅片管内径、外径,翅片管壁厚,翅片节距、翅片厚度及翅片高度等。

一般用于管内给热系数比管外给热系数大1倍以上的场合,最典型的应用场合是油换热器。对于管外冷凝及沸腾,由于表面张力作用,也有较好的强化传热作用困。其加工已工业化,且设计关联式已于长岭炼油厂等厂验证。 [1] 

(1) 就传热效果而言,低翅片管各结构参数对其影响的主次关系为:翅距→翅高→翅厚,且翅距在 1~2 mm 内,翅片管的换热性能随翅距的增大而增强,翅距超过 2mm 时,换热性能随之增大而减弱;换热性能随翅厚增大而减弱,随翅高的增大而增强。
  (2) 翅片管外的压降受翅高的影响异常显著,压降随翅高的增大呈几何倍数增长,翅距对压降的影响也较明显,压降随翅距的增大而变大,压降几乎不受翅厚的影响。
  (3) 管内外的流体流速增大时,翅片管的换热量与压降也随之增大,管外流体流速增大时,其压降增幅明显大于换热量的增幅,而管内流速增大时,管外压降不变,管内压降增幅较小。 

研究现状

许多学者以翅片管外侧(即有翅片一侧)的换热跟压降在不同工况下的性能为切入点,研究了翅片的结构参数对换热性能的影响;管内外的流体流动状态对换热性能的影响;析湿工况下翅片效率的计算方法。

析湿工况下在翅片管换热器中,当管外来流气体的露点温度高于翅片表面温度时,在翅片表面易析出露水,俗称结露,此时翅片管换热器的压降与换热特性比干工况的要复杂多,且传热过程中伴随着传质,空气流动模式也有了很大的变化,此时从理论方面研究翅片表面的热质交换非常困难,故一般以实验研究的形式探究其机理。对平片翅片管在湿工况的研究主要集中在干、湿翅片效率,翅距对传质传热的影响及入口相对湿度对换热设备换热性能的影响这几方面。国内外学者对此有许多的发现, Wang et al 通过对九个平片换热器样本的研究,发现摩擦系数在湿工况下要比在干工况下的提高 60~120 %,而换热系数在干、湿工况下的变化微小, Wang etal 根据多个样本的实验数据推算出了换热器压降关联式,并总结出了热质比拟关系的关联式。 Pirompugd et al 对平片换热器样本的实验数据处理分析时发现,全湿工况下,换热效果不受入口相对湿度的影响,因为冷凝水干扰了空气流场,翅距对换热性能的影响几乎可以忽略。北京交通大学的贾力、管鹏等人通过对水平翅片管外冷凝传热的可视化研究,对翅片管的对流冷凝换热机制及翅片管上的液膜理论计算作了探索性的研究。

国内众多研究者分别从翅片管的用材、翅片的结构外形和管束的排列方式等方面对螺旋翅片管的换热影响进行研究,以此优化翅片管的结构参数及其布置参数。例如曹家甡通过大量实验确定了尺寸、管束节距均不一样的错列整体式螺旋翅片管的阻力和传热计算方程式,研究了温度在翅片上的分布情况及翅顶温度的计算方法。潘宏伟等运用数值计算的方法计算了管内外壁面的对流换热系数,得出了以下结论:换热系数受管外烟气和管内空气的流速影响非常显著,同样翅片管的外形尺寸对翅片管的温度分布也有较大影响。 Kuntysh 等人对分别由黄铜、紫铜和钢制成的五排错列放置翅片管束进行了传热实验,实验结果表明:若其它条件不变,三种翅片管束的换热系数差异很小,因为翅片管的传热热阻主要存在于翅片表面与流体间,其大小由管外流体的流动状况决定。Brauer 与 Zozulya 等人还研究了翅片管束的布置方式(顺列和错列)对其换热性能的影响,研究发现布置型式对翅片管的换热影响很大。结果表明:螺旋翅片管束的换热性能在错列布置的情况下要优于顺列布置。在传热量跟管外压降相同的情况下,错列管束的换热面积可以比顺列减小 30%。 [2] 

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