花瓣状翅片管气体换热器(网上收集整体)

1、花瓣状翅片管气体换热器（一）横向冲刷花瓣状翅片管的强化传热机理研究以空气为介质横向冲刷花瓣状翅片管（包括单管与管柬）进行强化传热与流阻性能实验研究，并对其传热强化机理进行分析，结果表明，花瓣状翅片管的非连续周向翅片具有极好的传热强化效果，在实验范围内（Re=1022×104），本文提出了横向冲刷花瓣状翅片管传热性能的计算方法与理论分析模型，其计算结果与实验值符合良好。关键词：花瓣状翅片管 管壳式换热器 横向冲刷 强化传热花瓣状翅片管是一种有三维翅片的新型强化传热管1，具有较高的强化传热性能。从传热管的剖截面上看象个花瓣而得名。其强化传热的机理包括两方面：一是花瓣状翅片增加了换热面积，

2、提高传热负荷；二是间断的翅片反复地激发传热边界层上的湍流，使传热滞流底层减薄或断裂从而起到强化传热效果2。由于该种翅片管具有很好的传热强化性能，对此管型的强化传热机理研究将有助于提高气体管壳式换热器的传热性能。1实验实验流程为空气一水系统的常规传热实验，换热管内通热水，水温6575，流速1.52.5m/s冷空气冲刷管外，进口温度1530，冲刷流速0.513m/s。横向冲刷单管与顺排管束的实验风洞截面尺寸为41×500mm，长1.5m横向冲刷错排管束的实验风洞截面尺寸为180×500mm，长1.5m风洞外用工业毛毡绝热。因横向冲刷错排管束实验过程气流量大，需用笛形管气体流量计

3、（接补偿式微压差计）进行间接测量气流量，实验前采用毕托管测量流速并校正笛形管气体流量计的读数误差。其它实验过程用转子流量计测量流量(精度2%)，温度由精密水银温度计测量（精度0.05）。流动阻力采用补偿式微压差计(精度0. iOPa)测量，两测压点相距440mm。在横向冲刷实验模型中，分流栅的作用是分流风机来气，使气流均匀冲刷换热臂。实验前通过调节分流栅，采用毕托管测试换热管处气流截面上的流速均匀性，保证截面上流速分布不均匀性小于15%。实验过程管内水放热与管外气体吸热一般相差5%以内。管外给热系数由测取的总传热系数扣除管内传热系数（按光滑管内传热系数计算）而得。实验中管内传热系数为管外的20

4、80倍，即臂外传热系数高出总传热系数k值5%以内，在k值测定准确条件下，可保证管外传热系数分离值与实际值偏差小于5%。本文实验所用的花瓣状翅片管尺寸参数如表1，管外为花瓣状翅片，管内为光滑管。 表1 花瓣状翅片管尺寸及翅片参数(单位：mm)管束参数dodfLL1pfS1S2单 管15.518.305205001.610.11-顺排管束15.518.305205001.610.114070错排瞥束18.921.594003501.590.103050 为保证本文实验结果的可靠性，各先做光滑管的传热与流阻性能实验，通过与传统实验数据3分析比较，偏差5%以内，得以验证后再做强化传

5、热管的传热与流阻性能实验。图1花瓣状翅片管模型 1-蓄水池（内设电加热丝）；2-水泵；3-水阀开关；4-转子流量计；5-气流分流栅；6-壳体（外包扎隔热毛毡）；7-换热管（光滑管或花瓣管）；8-U形弯接头；9-水银温度计；10-测压点（接水数压差计）W=500mm；B=40mm；S2=70mm；L=440mm图2 横向冲刷换热管束实验流程示意图 图3 错列管束布置图B=150mm；S1=30mm；S2=50mm 实验结果分析2.1实验结果a 传热性能实验结果1-光滑管单管；2-顺排光滑管束；3-错排光滑管束4-花瓣管单管；5-顺排花瓣管束；6-错排花瓣管束b 流阻

6、性能实验结果1-光滑管单管；2-顺排光滑管束；3-错排光滑管束4-花瓣管单管；5-顺排花瓣管束；6-错排花瓣管束图4 横向冲刷花瓣状翅片管传热与流阻性能图 表2 横向冲刷实验数据分析管 型单 管顺排管束 错排管束ReNuBuNuBuNuBu光滑管8×10350.40.391363.20.303148.80.5616花瓣管8×10370.40.402665.40.329493.20.7116光滑管2×10487.50.3110113.00.244284.60.4850花瓣管2×104166.90.3254138.40.2656213.00.575

7、9 2.2实验结果分析从图4 a,b及表2可以看到，横向冲刷花瓣状翅片臂在大雷诺数Re的情况下表现出更优越的强化性能。对错排花瓣管束Re=2×104时，按实际换热面积计算的传热系数比光滑管提高1.52倍（按光坯管面积计算提高3.74倍），而流体阻力只增18.7%单管型横向冲刷的传热性能与错捧管束相近，顺排管束则整些，主要原因是前排管改变了流体对后排管的冲刷点，从而削弱了迎风面部分的传热3。Re较低时(Re<2×104)花瓣管按实际换热面积计算的给热系数比光滑管低，主要原因是冲刷流速小时气流在相邻翅片面上发展的层流边界层互相叠加形成流动死区，犹如以翅尖为直径的

8、换热管进行换热。随着冲刷流速提高，翅片面上的边界层减薄，翅片对气流的扰动增大，花瓣管的给热系数随Re增大的趋势比光管快，而流动阻力的变化与光管相当。3 边界层理论分析强化传热机理下面用边界层理论分析横向冲刷花瓣管强化传热的机理4。为简化推导过程，可把流体流过翅片管上相邻翅片间的圆弧基底矩形通道的过程简化为流过平板上直翅片矩形通道的过程，井把翅片上对流换热过程视为平板上的对流换热过程。通过对边界层热流方程的近似求解得到平板上层流边界层5： （1）式中，对空气Pr0.7则有 （2） （3）本文把花瓣管不连续的三角形翅片当正三角形翅片处理。翅片受气流冲刷的速度分布如图5所示翅片根部与基管接合处气流流

9、速为零，流体流过基管面形成的边界层如图点线所示。在该边界层内，冲刷翅片的流速应当由该边界层内的速度分布方程所描述。设边界层的平均厚度为m，在三角形翅片下半部分y=0m面积部分受流速u=0U冲刷，y=mh的上半部分面积均受流速u=U冲刷。由于花瓣管翅片面积较小，花瓣管迎风面到背风面上的各翅片的冲刷速度从uo变化到umax，再到uo，计算翅片表面的平均给热系数时可取U=(uo+umax)/2作为特征速度。气流在基管表面上形成的层流边界层平均厚度： （4）下面推导翅片y=mh面积部分的给热系数。如图5b取坐标原点在顶点，取微元条块长为，宽为dy ，其给热系数为： （5）边界条件：y=0时，l=0；y

10、=l1时，l=a1。从y=0到y=h1积分上式，求出三角形翅片面积的平均给热系数: （5）a 翅片面边界层分析模型b 翅片面简化分析模型图5 花瓣状翅片传热分析模型 如图5a下面推导翅片面积部分的平均给热系数。设y=0m处边界层内的速度分布为抛物线形式，即U=(u/m2)y2，且，则有： （7）个三角形翅片表面的平均给热系数： （8）花瓣管束的平均给热系数： （9）式中hmo为花瓣管的光滑基管表面的平均给热系数，可以按照与花瓣管束相同布置状况的光滑管束的传热实验经验公式进行计算。下面根据本文横向冲刷错捧花瓣管束的实验条件利用上述方法计算花瓣状翅片管的平均给热系数。错排翅片管的光滑基管

11、表面的平均给热系数为： （10）本文花瓣管的肋化系数P为1.88。下面试以u0=1.8，3和4m/s进行计算，hm为113.9，153.0和180.9W(m2·)，本文横向冲刷错排花瓣管束的实验值为96.5，151.8和196.8W (m2·)，计算值误差分别是18.0%，0.8%和8.07%。可见，在高Re下计算值比实验值略偏低，而在低Re下略信高，其原因是：在计算值中未考虑翅片面上形成的边界层对基管面传热的影响，流速低时层流边界层较厚，在翅根面及基管交界表面处由于边界层的叠加使实际传热性能变差冲刷流速较高时，间断翅片对边界层的割裂分离作用更强烈使翅片尾部产生涡流进而破坏

12、下个翅片及基管表面的层流边界层，使之减薄，实际上传热效果增强，但流体阻力比光滑管明显增加。从花瓣状翅片管的传热性能分析实倒可以看到，翅片的传热性能是影响强化传热的关键。花瓣管间断的三角翅片能强制地分离边界层，使翅片面上的边界层反复地形成与分裂，从而使边界层在翅片面上未充分发展即告分离，并且三角翅片激发的涡流能够更有效地促进传热界面上的传热。4 结论(1)本文进行横向冲刷光滑管和花瓣管（包括单管、管束）的实验研究，光滑管实验研究结果与其它文献提供的参考数据符合，故本文各试验装置及研究结果具有较高的可靠性。(2)实验结果表明，花瓣状翅片管强化传热性能较高，实验范围内(Re=1032×l0

13、4)，冲刷流速越大，强化传热效果越好。(3)本文利用层流边界层理论分析花瓣状翅片管的强化传热机理，并成功提出理论分析模型与计算方法，计算结果与实验值符合良好。利用本文提出的计算方法可以预测花瓣状翅片管不同翅片参数的传热性能。本文研究结果将给管壳式换热器的传热强化研究与设计以及生产实践提供有价值的参考。致谢衷心感谢王世平、林培森教授及詹亚韶、魏铨森同志为本文提供花瓣状翅片管进行实验研究。符号说明a三角翅片的边长，mmp翅片间距，mma1平均边界层m边长（=a-2mtg30），mmPr普兰特准数（Cp/）a2翅片底长(=a)，mmRe雷诺数（=dou/）B风洞宽度，mmS1换热管束的横向排列间距，

14、mmdo传热管外径，mmS2换热管束的纵向排列间距，mmdf翅片管翅片外径，mmT温度，Bu流体阻力系数，欧拉数= 2P(u2)U流体速度，m/sh翅片高度，mmuo管束入口冲刷速度，m/sh1翅片面积的高度（=h-m），mmUmax管束中最小流通截面处气流最大冲刷速度，m/shm换热管的平均给热系数，W/(m2·)流体边界层厚度，mmhmf翅片管的翅片面的平均给热系数1翅片厚度，mmhmo翅片管的光滑基管表面的平均给热系数m气流在基管表面上形成的层流边界层平均厚度，mmK换热器的总传热系数，W/(m2·)t热层流边界层厚度，mmL换热管的长度，mm导热系数，W/(m2&#

15、183;)Nu传热努歇尔准数（=hmdo/）流体粘度，Pa·sP翅片管肋化系数密度，kg/m3参考文献1 王世平，林培森，詹亚韶等中国专利ZL93-2-042791. 1993.2 邓先和，王世平，林培森等·华南理工大学学报（自然科学版），1995, 23 (2)3 苏AA茹卡乌斯卡斯著，马昌文等译换热器内的对流传热科学出版杜，19864 詹清流空气以多种流动方式冲刷花瓣状翅片管的强化传热与流阻性能研究（华南理工大学硕士论文）1996.35 天津大学等合编化工传递过程化学工业出版杜1980,花瓣状翅片管气体换热器（二）横向与纵向冲刷花瓣状翅片管的强化传热性能比较以空气为介质

16、，以纵向流动方式冲刷光滑管与花瓣状翅片管进行管壳式换热器壳程的传热强化与流阻性能实验研究实验结果表明，与文（一）的横向冲刷情况相比，在相同功耗下，Re=2×104时，按实际换热面积计算，横向冲刷花瓣状翅片管比光滑管提高给热系数135,8，纵向冲刷花瓣管仅与光滑首的给热系数相当，文中通过设计实例的比较得到横向冲刷是花瓣管空冷器设计方案的较佳选择。关键词： 花瓣状翅片管管壳式换热器纵向冲刷横向冲刷花瓣状翅片管是一种有三维翅片的新型强化传热管，见文（一），具有较高的强化传热性能。由于这种非连续的周向翅片对横向与纵向流体冲尉的强化传热机理不一样，效果也有差别，对这两种冲刷方式的传热强化比较可

17、为花瓣管管壳式换热器的设计提供重要的参考数据，并寻找流体对该管型的最佳冲刷方式。1 实验设备横向冲刷实验装置见文（一）。纵向冲刷实验流程为空气一水系统的常规传热实验，见图1。换热管内通热水，水温6575，流速1.53m/s，冷空气冲刷管外，进口温度2530，冲刷流速18m/s。换热器壳体截面尺寸为26,2×71.4mm，长1.400m，壳体外侧用工业毛毡绝热。实验过程甩转子流量计测量（精度2%）流量，温度由精密水银温度计测量（精度0.05）。流动阻力采用补偿式微压差计(精度0.1OPa)测量，两测压点相距l000mm。实验过程管内水放热与管外气体吸热一般相差5%以内。管外给热系数由测

18、取的总传热系数扣除管内传热系数（按光滑管内传热系数计算）而得。实验中管内传热系数为管外的80倍以上，即管外传热系数高出总传热系数耳值2以内，在K值测定准确条件下，可保证管外传热系数分离值与实际值偏差小于5。本文实验所用的花瓣状翅片管尺寸参数如表1，管外为花瓣状翅片（翅片模型见文一），管内为光滑管。为保证本文实验结果的可靠性，各先做光滑管的传热与流阻性能实验，通过与传统实验数据1分析比较，偏差8%以内，得以验证后再做强化传热管的传热与流阻性能实验。表1 换热管尺寸参数(单位，mm)管束参数dodtL2pfS方形排列15.518.314001.610.11251 壳体（外包扎陌热毛毡）L1=l00

19、0mm；L2=l400mm2 U形弯接头 W=714mm；S=25nm3 换热管（光滑管或花瓣状翘片管） t=26.2m图1 纵向冲刷实验设备示意图2 实验结果分析2.1实验结果图2 纵向冲刷花瓣状翅片管传热与流阻性能图表2 纵向冲刷实验数据分析管型ReNuf光滑管2×10311.30.02241花瓣管2×1039.740.07314光滑管1×10438.10.00931花瓣管1×10446.70.040632.2实验结果分析从图2及表2可以看到，纵向冲刷花瓣管在雷诺数Re低时传热性能较差，原因是流体冲刷速度越小便翅根越大部分面积被滞流底层完全覆盖，按照

20、实际换热面积计算，花瓣管的给热系数比光管还低。Re=2×103时，按实际换热面积计算的给热系数比光滑管低13.8%（按光坯管面积计算比光滑管提高77.2）流动阻力增大2.26倍。Re>3×103时花瓣状翅片管的强化性能开始体现，Re=104时按实际换热面积计算的给热系数比光管提高22.6%（按光坯管的面积计算则提高1.52倍），流动阻力增大3.36倍。考虑到无折流板的管壳式换热器中纵向冲刷管束的流阻损失只占总流阻损失的30%左右3，故花瓣状翅片管对纵向冲刷型换热器仍有实际应用价值。横向冲刷花瓣管实验结果见文（一）中图4及表2。雷诺数Re较低（Re<23×

21、;103）时，按实验换热面积计算，横向冲刷花瓣管的给热系数也可低于光管，原因是冲刷流速低时气流在相邻翅片面与基管表面上形成的边界层较厚，边界层间的相互叠加使换热面的实际传热效果变差，甚至在相邻翅片面间形成流动死区使传热性能恶化。提高冲刷流速时，间断翅片对边界层的割裂分离使用更强烈使翅片尾部产生涡流进而破坏下个翅片及基管表面的层流边界层，使之减薄，传热效果迅速增强。因此，翅片的传热性能是影响强化管换热的关键，花瓣管间断的三角翅片能强制地分离边界层，使翅片面上的边界层反复地形成与分裂，激发的涡流能够更有效地促进传热界面上的传热。3 强化传热性能评价按Webb的强化传热性能评价方法3，文献4以管外强

22、化为例，设传热热阻集中于管外空气侧的传热边界层，不考虑污垢热阻，在同等传热负荷、传热温差和流体损耗功率条件下比较强化传热管与光滑管各自所需实际换热面积Ao与Aoc。 （1）且 （2）如果进一步把传热系数Nu、阻力系数简化表述成如下形式： （3） （4）则有： （5）把式(2)(5)代入式(1)得： （6）按文（一）与本文实验数据代入式(6)得到强化传热性能评价分析结果，见表3与图5。与光滑管相比，花瓣状翅片管管束在高雷诺技工况下发挥出优越性，受横向冲刷错排布置Re=2×104时可节省实际换热面积57.6%(节省光坯管面积77.4)，顺排布置管束时可节省实际换热面积22.3%（节省光坯

23、管面积58.7%）。纵向冲刷花瓣管束在雷诺数Re较高时方可节省实际换热面积，Re为2×104时节省实际换热面积仅有5.1%（节省光坯管面积49.8%），但使换热器装置更紧凑，缩短约一半的管长。图3 强化传热性能评价比较图表3 强化传热性能评价数据分析参 数ResAo/AosAo/(Aos·P)ko/koskoP/kos纵向冲刷1041.0460.5560.9561.797花瓣管束2×1040.9490.5021.0531.980横向冲刷顺1040.9310.4951.0742.020排花瓣管束2×1040.7770.4131.2872.420横向冲刷错1

24、040.5920.3151.6883.174排花瓣管束2×1040.4240.2262.3584.4345 结论(1) 本文进行纵向冲刷光滑管和花瓣管（包括单管、管束）的实验研究，光滑管实验研究结果与其它文献提供的参考数据符合，故本文各试验装置及研究结果具有较高的可靠性。(2) 花瓣状翅片管强化传热性能较高，不论横向还是纵向冲刷，在实验范围内(Re=1032×104)，冲刷流速越大，强化传热效果越好。在相同功耗下，按照实际换热面积计算（见表3），Re=2×104时横向冲刷花瓣状翅片管比光滑管提高给热系数135.8%，纵向冲刷提高给热系数5.1%。(3) 本文通过管

25、外强化传热性能评价，认为花瓣状翅片管束管壳式换热器在节约金属材料方面有独特的经济效益。横向冲刷错排花瓣管束Re=2×104时能节省实际换热面积达57.6%，节省光坯管面积77.4%。(4) 由本文设计实例可看到，横向冲刷流动方式是空冷器设计方案的较佳选择。对花瓣状翅片管束管壳式换热横向冲刷比纵向冲刷可节省换热面积56.1%。表4 空冷器设计方案及其参数比较设计项目冲刷类型纵向冲刷横向冲刷光滑管空冷器花瓣管空冷器光滑管空冷器花瓣管空冷器壳程换热管管径mm16×1.513×1.516×1.516×1.5管子长度m1.251.230.740.37传热管数目16299112×272×2按热