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    [關(guān)鍵詞]換熱器；非對稱翅片管；對流傳熱；換熱系數(shù)；強(qiáng)化換熱；換熱效果翅片

    管式換熱器是利用翅片擴(kuò)大換熱管表面積和促進(jìn)介質(zhì)的紊流提高傳熱效率，其在動力、化工、制冷等行業(yè)中應(yīng)用較廣。1994年康海軍等人在不同翅片間距和管排數(shù)下，研究了9種不同結(jié)構(gòu)平直翅片換熱器的換熱和阻力性能，得出了翅片間距、管排數(shù)對換熱和阻力性能的影響規(guī)律。2000年Ricardo等人對板間的流體進(jìn)行了三維模擬，借助可視模擬實驗技術(shù)，揭示了翅片間距對傳熱和流阻的影響。2008年傅明星l4對雙排平直翅片管換熱器進(jìn)行了三維模擬，結(jié)果表明翅片管順排比叉排的換熱效果差。1994年辛榮昌等人對三角形波紋型翅片管的研究發(fā)現(xiàn)，翅片間距的影響受控于管排數(shù)，翅片間距越小，阻力系數(shù)越大，而且管排數(shù)對阻力系數(shù)的影響很小。1997年Wang等人l6對18種不同結(jié)構(gòu)以及順排和錯排條件下的典型波紋型翅片換熱器進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明波紋型翅片的換熱系數(shù)比對應(yīng)平翅片的換熱系數(shù)高55～7o，壓降損失比平翅片高66～140。1998年Madi等人對28種不同規(guī)格包括平翅片和波紋型的翅片管式換熱器進(jìn)行測試，結(jié)果表明波紋型翅片的換熱因子和摩擦因子都比平翅片大。1994年張慕瑾等人_8對3種不同管排數(shù)的百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行研究，指出在相同結(jié)構(gòu)的換熱器中，管排數(shù)越少，對流換熱系數(shù)越大。1998年Wang等人對17個不同結(jié)構(gòu)的百葉窗翅片管式換熱器進(jìn)行了實驗研究，得出在不同雷諾數(shù)下管排數(shù)對換熱的影響規(guī)律。2000年Wang等人。。又分析了2種百葉窗翅片在濕工況下的換熱性能，結(jié)果表明在干、濕工況條件下，換熱特性對翅片間距和管排數(shù)的變化不太敏感。按表面形式換熱器可分為對稱翅片和非對稱翅片。非對稱翅片主要包括管中心距翅片兩邊距離不相等的非對稱翅片和開縫形式的非對稱翅片。

    目前，對開縫式非對稱翅片管換熱性能的數(shù)值模擬研究較多口。，但是對管中心距翅片兩邊距離不相等的非對稱翅片的研究顯見報道。本文通過研究非對稱翅片管換熱器的傳熱過程和傳熱效果，對比了其與環(huán)狀翅片管管束和光管管束的傳熱性能。1實驗原理翅片換熱面最大的優(yōu)點是肋化系數(shù)大，但這會加大翅片間隙相對深度，使流體難以深入到翅根區(qū)域，管子基準(zhǔn)面和翅根附近出現(xiàn)流體停滯區(qū)，使原來有效的換熱區(qū)域失去其積極參與傳熱的活力。為此，本文提出了一種非對稱翅片，該翅片沿來流方向伸展，盡量減少背向來流方向的翅片面積。利用其非對稱的外形，交叉緊密排列翅片，使流體在翅片間流動過程中反復(fù)分流、合流，提高湍流度，減薄邊界層，強(qiáng)化翅片表面?zhèn)鳠�。實驗設(shè)計的非對稱翅片形狀和管束排布如圖1、圖2所示。

    非對稱翅片換熱器由11根鑄鐵材料的翅片管組成，第l層和第3層有4根管子，中間層3根管子，中間層的管束與上、下2層錯列布置，并且其翅片與上、下2層的翅片叉排布置，每層管束通過連箱并聯(lián)在一起。溫度測點布置在翅片頂端及根部、換熱器水側(cè)和空氣側(cè)進(jìn)出口，計算采用多次測量的平均值。為分析換熱效果，首先要得到對流換熱系數(shù)h：

    由于實驗換熱器是交叉流式，因此平均溫差為：

    2實驗過程實驗時首先加熱水箱中的水，再由水泵將其分別打人換熱器的3層管束，風(fēng)機(jī)直吹換熱器表面，翅片延伸方向迎著來流空氣，空氣與翅片和水形成強(qiáng)制對流換熱，最后水從換熱器出口返回水箱(圖3)。

    在換熱器入口和出口各有1個熱電偶，翅片管上設(shè)有編號1一編號15共15個測點，分別布置在管壁上和翅片頂端，其中空氣進(jìn)口側(cè)的3根翅片管每根管布置有2個測點，分別在管子的兩端；空氣出口側(cè)的3根翅片管每根布置3個測點，分別在管子的兩端及中間。實驗前要檢查儀器，確保各測點測量值準(zhǔn)確后，用加熱棒加熱水箱中的水，通過調(diào)節(jié)加熱棒及水箱蓋板，使水溫穩(wěn)定到一定溫度后進(jìn)行實驗，實驗工況見表1。

    測量并記錄水和空氣的進(jìn)、出口溫度，水流量、風(fēng)速以及管束上測點的溫度。3結(jié)果及分析4種工況下均為1，以非對稱翅片管式換熱器的翅片管總表面積A(A=0．881m2)為基準(zhǔn)求得對流換熱系數(shù)h，以光管外表面積As(A—O．4147m2)為基準(zhǔn)求得對流換熱系數(shù)h。，結(jié)果見表2。為了更好地說明實驗結(jié)果，分別根據(jù)參考文獻(xiàn)中推薦的公式對相同參數(shù)條件下的光管管束和環(huán)形翅片管管束的換熱系數(shù)進(jìn)行理論計算。由于文獻(xiàn)是在最佳條件下所得，所以理論計算光管和環(huán)形翅片管束的對流換熱系數(shù)要優(yōu)于實驗結(jié)果。通過理論計算可得光管對流換熱系數(shù)h，環(huán)形翅片管束以總表面積為計算基準(zhǔn)的對流換熱系數(shù)h和以有效換熱面積為計算基準(zhǔn)的對流換熱系數(shù)hh(表3)[1516]。1)非對稱翅片管的換熱效果優(yōu)于普通光管管殼式換熱器。由表2、表3可得，4種工況下，換熱器總的換熱系數(shù)最低為44．73w／(m。·K)，折算成光管面積計算為95．036W／(m。·K)；最高為74．92W／(m。·K)，折算成光管面積計算為159．162w／(m。·K)。而常用光管管殼式換熱器熱交換流體為清水和氣時，傳熱系數(shù)為2O～70w／(m·K)。表4為非對稱翅片管與光管管束傳熱系數(shù)比值。由表4可見，非對稱翅片管的傳熱系數(shù)約為光管管束的3～4倍。可見，非對稱翅片管式換熱器的換熱系數(shù)比普通光管管殼式換熱器高，換熱效果更好。這主要是由于翅片擴(kuò)大了換熱管表面積，促進(jìn)了介質(zhì)的紊流，強(qiáng)化了換熱效果。2)相同參數(shù)條件下，非對稱翅片管換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管束。在相同翅片面積下，將非對稱翅片折算成普通環(huán)狀翅片，得到的翅片外徑為75mm。在相同的參數(shù)條件下，比較以翅片管外側(cè)總面積為基準(zhǔn)求得的環(huán)狀翅片管和非對稱翅片傳熱系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可見，非對稱翅片管的傳熱系數(shù)比環(huán)狀翅片高出60以上。這主要是由于在該實驗中非對稱翅片管采用了翅片沿來流方向伸展，背向來流方向盡量減少翅片面積，并將翅片交叉排列的設(shè)計方案，從而流體在翅片間流動過程中會反復(fù)分流、合流，提高了湍流度，減薄邊界層，使傳熱得以強(qiáng)化。3)風(fēng)量的改變影響換熱效果。實驗顯示4種工況下，進(jìn)口水溫相同時，風(fēng)量減少一半，非對稱翅片管換熱器換熱量減少33．93，同時其換熱系數(shù)也會減小。相同參數(shù)條件下光管管束和環(huán)狀翅片管束的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別減小38．42、34．35，非對稱翅片管換熱器的減小幅度較小。這是由于風(fēng)量減少會造成風(fēng)速降低，使流體湍流度隨之減小，從而降低了換熱效果，而非對稱翅片管的湍流度和換熱效果要優(yōu)于其他二者，因此減小了風(fēng)量改變對其換熱效果的影響。4)非對稱翅片管的緊湊性優(yōu)于環(huán)狀翅片管。相同翅片面積的環(huán)狀翅片管束間的縱向截距為40mm，大于非對稱翅片的22．5mm，橫向截距與非對稱翅片相同為144mm。非對稱翅片管束所占空間體積為0．0278m。，環(huán)狀翅片管束所占空間體積為0．0330m。。相同換熱面積，二者的緊湊度分別為31．690、26．697m／m。，非對稱翅片管束緊湊度是環(huán)狀翅片管束的1．19倍。

    4結(jié)論1)在一定條件下，非對稱翅片管式換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管以及普通光管式換熱器。2)風(fēng)量的改變會影響換熱效果。3)非對稱翅片換熱器的緊湊度優(yōu)于相同換熱面積的環(huán)狀翅片，相同空間條件下可以布置更多的非對稱翅片管束，以獲得更好的換熱效果。