小管径穿片式翅片管三种间距下的换热与阻力特性

高文通++欧阳新萍

摘要： 对3种基管外径（10 mm）和管间距相同、翅片间距不同的穿片式空气水换热器的换热与阻力特性进行了试验研究，翅片间距分别为1.0、1.6、1.9 mm.得出了不同翅片间距下的管外换热系数和流动阻力系数以及相应的计算关联式，利用评价指标对3种试件的综合换热性能进行了评价.结果表明：翅片间距对管外换热性能的影响很大；在选择具有合理翅化比的换热器的翅片间距时还需考虑经济性和紧凑度等方面的因素.

关键词： 穿片式翅片管； 翅片间距； 换热系数； 阻力系数； 性能评价

中图分类号： TK 124文献标志码： A

Abstract： Flow resistance and heat transfer characteristics of the plate fintube heat exchanger with three different fin spaces were investigated with the same base tube diameter of 10 mm.Three different fin spaces of 1.0、1.6、1.9 mm were used.The resistance and heat transfer coefficients for outside tube as well as their correlations were attained.The comprehensive heat transfer characteristics of the tested tubes were evaluated.The criteria for evaluating the comprehensive thermal performance of tested tubes were adopted.Experimental results showed that the fin space had an important influence on the heat transfer performance outside of the tube.The heat exchanger with reasonable finned ratio should take the economy and compact into the consideration for the fin space selection.

Keywords：plate fintube； fin spaces； heat transfer coefficient； resistance coefficient； performance evaluation

换热器作为能量系统中使用最广泛的单元设备之一，在石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品等领域被广泛利用，其性能的改善对于改进系统的用能过程、降低能量消耗具有重要的意义.管翅式换热器一般用于气体与液体或相变工质之间的换热，而其空气侧热阻在整个热阻中起主导作用[1-2]，空气水冷却器就是其中一种.空气水冷却器一般由整张翅片与铜管或铜合金管穿片涨管而成，管子外径多在12～19 mm.随着一些用户对空气水冷却器的高效紧凑型要求的提高，10 mm小管径的空气水冷却器得到了开发和应用.小管径冷却器的传热效率高，但同时管内外流动阻力也高，特别是管外空气流动阻力会增加较多.这是由于小管径冷却器与常规管径冷却器相比，管间距和翅片间距均更小.为了在小管径冷却器的高效紧凑和流动阻力的增加之间达到最优的效果，必须寻求冷却器最优的结构参数，尤其是管间距、翅片间距.受翅片效率和翅化比的約束，管间距的调整范围有限，翅片间距则成为主要的调节参数.基于风机盘管的管翅式换热器的研究[3-5]表明，翅片间距对传热性能和管外空气流动阻力的影响很复杂.人们针对翅片形状、间距、管径及管排方式等因素对换热的影响做了大量的实验研究[6-11].目前，多采用一些综合评价指标对传热和阻力性能进行综合评价.以热力学第一定律为基础建立的传热特性参数如传热系数、传热温差用于评价热交换器性能时，只强调了传热强度而没有考虑回收能量的品质.为了反映换热器表面性能的优劣，本文采用比较传热表面能量传递和能量消耗比的方法，对换热器的性能进行评价.由于本文中的换热器是管翅式换热器，所以将翅片效率的变化对表面性能的影响包含在评价指标中是十分必要的.

本文对管径为10 mm的电机冷却器的翅片间距进行分析比较，确定了翅片间距变化对换热系数以及换热器的换热性能的影响.

1试件及试验装置

本文针对3种基管外径（10 mm）、管间距相同但翅片间距不同的管翅式换热器进行了试验研究.试验在风洞试验台上进行，试验系统图如图1所示.翅片形式为开缝翅片，3种试件的结构参数如表1所示.试件管内通热水，管外空气横掠.试验时，水进、出口温度由热电阻测量，水流量由电磁流量计测量.空气进、出口温度由热电偶测量，空气流量由毕托管测量.在试件前、后风道上装有U型测压管，测量其压差，即可得到空气流动阻力ΔP.试验中，通过调节变频器改变电机转速从而改变通过翅片管的空气流量.

2试验及数据处理方法

2.1换热性能试验方法

通过测量热水和空气的进、出口温度及流量计算热水的放热量Q1和冷水的吸热量Q2.当Q1和Q2之间的热平衡误差满足给定精度要求时，取两者的算术平均Q作为换热量.总传热系数Ko计算式为

式中：Ao为传热面积（管外总表面积）；Δt为对数平均温差.

管内对流换热系数hi由旺盛湍流的经典公式计算，即

式中：λf为管内水的导热系数；Ref为管内水的雷诺数；Prf为管内水的普朗特数.

以管外总表面积Ao为基准的总传热系数的热阻方程式为

式中：ho为管内对流换热系数；ηo为肋面总效率；λ为管壁导热系数；r为管内污垢系数；Ai为管内总表面积.

由式（3）可计算得到以管外总表面积Ao为基准的管外空气对流换热系数ho，并拟合出管外平均传热系数的准则方程式，即

式中：Nu为努塞尔数，Nu=〖SX（〗hodo〖〗λa〖SX）〗，λa为空气导热系数；C、n均为未知系数.

以基管外表面积Ab为基准的传热系数Kb的热阻方程式为

由式（5）可计算得到以基管外表面积为基准的管外空气对流换热系数hb.相应地，Nu的表达式为

2.2流动阻力性能试验方法

摩擦阻力系数采用Darcy定义，即

式中：f为Darcy摩擦阻力系数；ρ为流体密度；um为来流平均流速.

根据试验数据可利用式（8）求出摩擦阻力系数.将摩擦阻力系数整理成以下形式，即

式中：Cf为阻力系数；m为未知指数；Re为雷诺数.

3试验结果及分析

3种试件的换热特性与阻力系数分别如图2、3所示.根据试验测得的数据计算得到的准则关系式系数分别如表2、3、4所示.

由图2（a）可知，在所测工况范围内，试件按基于管外总表面积的换热系数由大到小依次为3号、1号、2号试件.通常，对于穿片式翅片，翅片间距越小，气流在翅片上润湿的周边越大，换热系数也就越小[12]，因此，1号、2号试件的换热系数会低于3号试件.但1号试件的翅片间距小于2号试件，分析认为：当翅片间距非常小时，流經翅片的气流流通截面积很小，促进了开缝片表面气流涡源数量的增加，使气流扰动更加剧烈[13]，而且随着雷诺数的增加，扰动效果明显加强，换热更充分[14]，因而1号试件的换热性能强于2号试件.除了上述因素以外，还有一些因素会对换热造成影响.在较高雷诺数下，翅片间距较大的翅管换热性能易受到管件诱发产生的涡旋流动的管前区（即前向涡区）和管侧区（即纵侧涡区）的影响而增强[15].当翅片间距非常小使得流道面积很小时，流体流动时会产生边界层分离现象，造成局部换热系数的较大跌落[16-18].综合以上因素，1号试件的换热性能强于2号试件而低于3号试件.

由图2（b）可知，试件按基于基管外表面积的换热系数由大到小依次为1号、3号、2号试件.由于3种试件的基管外表面积、试件体积相同，因此，图2（b）可以理解为是单位体积换热能力的比较，而图2（a）则是基于单位面积换热能力的比较.通常，对于仅翅片间距存在差异的翅片管而言，以基管外表面积为基准的管外换热系数会随着翅片间距的减小而增加.因为随着翅片间距的减小，管外实际参与换热的面积增加，换热量增加，而用于计算换热系数的基管外表面积并无变化.所以，图2（b）中1号试件的管外换热系数最大属合理，但翅片间距较大的3号试件的管外换热系数大于2号试件则不合常理.分析认为，图2（a）中2号试件的基于单位面积的换热性能太弱，即使其实际换热面积大于3号试件，其单位体积的换热性能仍低于3号试件.

由图2及上述分析可以推断，对穿片式翅片管而言，翅片间距对管外换热性能的影响很大.因此，可能存在一个翅片间距的范围，在此范围内，翅片管的换热性能较弱.本文中翅片间距为1.6 mm的2号试件就处在此范围.因此，在设计翅片间距时应避开这一范围.

由图3可知，3种试件的阻力系数由大到小依次为1号、2号、3号试件.阻力系数随着翅片间距的增大而减小，这是正常现象.

4试件综合性能评价

对流换热的强化往往伴随着压降的增加，因此，如何综合评价传热强化方法的优劣是研究传热强化方法中的关键.本文采用比较传热表面能量传递与能量消耗比的方法对3种翅片间距试件进行综合评价[13].

翅片效率的变化对表面性能的影响不容忽略，所以将翅片表面效率ηo包含在评价指标中.以E/（ηoho）为横坐标，ηoho为纵坐标，将3种试件的试验数据绘成图4（a），其中E为单位传热面积的有效泵输入功率.图4（a）用于评价管外换热性能与流体驱动耗功的综合性能.由图可见，3号试件的换热性能最优.这意味着在相同功耗下，3号试件的管外换热系数最大，所需换热面积最小，翅片材料最省，或者说相同的管外换热系数时，3号试件的耗功最小.

选择换热设备时还需要考虑其结构的紧凑度.图4（a）无法反映出设备的紧凑度，图4（b）是以基管外表面积为基准的综合性能比较图，可反映设备的紧凑度，即以hb取代图4（a）中的ho，且不考虑ηo.由图4（b）可知：1号试件所需要的基管外表面积最小.对3种试件而言，相同的基管外表面积意味着相同的换热器体积，因此，1号试件的体积最小，最为紧凑.

综上所述，从布置最小的管外总换热面积、节省翅片材料的角度考虑，翅片间距为1.9 mm的3号试件的性能最优；从换热器的紧凑度角度考虑，翅片间距为1.0 mm的1号试件性能最优.

另外，翅片间距的选择还要考虑翅化比，因为这关系到换热器的整体换热性能.对于空气和水的换热，翅化比为8～20时较为合理.表1中所给出的3种试件的翅化比均处在合理范围.

5结论

（1） 对于穿片式翅片管而言，翅片间距对管外换热性能影响很大，可能存在一个翅片间距的范围，在此范围内翅片管的换热能力较弱，在设计翅片间距时应避开这一范围.

（2） 对于10 mm小管径的穿片式翅片管而言，从布置最小的管外总换热面积、节省翅片材料的角度考虑，翅片间距为1.9 mm的3号试件的性能最优；从换热器的紧凑度角度考虑，翅片间距为1.0 mm的1号试件性能最优.

（3） 翅片间距大小的选择还要考虑翅化比.对于空气和水的换热，翅化比为8～20时较为合理.

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