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翅片管換熱器發展現狀

       1. 換熱器的發展歷史
       在 20 世紀 70 年代石油危機的直接影響下,強化傳熱受到世界各國科技界的普遍關注,迅速發展成為熱科學與技術領域一個非常重要的學科分支。隨著可持續發展、低碳技術與低碳經濟等社會發展理念的進步,強化傳熱的概念已發展成為包含更廣闊范疇的傳熱優化的概念。換熱器作為一種基本的換熱設備,在暖通空調、化工、機械、能源、動力、航空航天、機械制造、食品、醫藥等工程領域中有著廣泛的應用。它不但是一種廣泛應用的設備,而且在某些工業中占據重要的地位。例如在石油化工工廠中,它的投資要占到建廠投資的 20%左右,重量可達到工藝設備總重量的 40%。通過優化設計提高換熱器的性能并且滿足各種換熱要求,減少換熱過程熱量的不可逆耗散,是提高能源利用率的重要措施,在能源日益短缺和環境污染逐步惡化的今天具有重要的意義,同時也可為需要大量購買能源的國家帶來節省成本,帶來社會效益和經濟效益。在實際應用中往往出現多個換熱器一起使用的情況,因此如何提高換熱器網絡的性能也是重要的研究課題。
       隨著工業的發展,工業缺水以及工業用水的環境污染問題日益突出,翅片管換熱器如空氣冷卻器的應用引起人們的廣泛關注,致使在許多化工廠中有 90%以上的冷卻負荷都由空冷器負擔。翅片管換熱器在空調工程中應用也很廣泛,如表冷器、空氣加熱器、風機盤管及冷風機蒸發器、無霜冰箱蒸發器。翅片管換熱器是在改進管式換熱面的過程中成功的發現之一,直到目前,這種方法仍然是管式換熱面強化傳熱方法中應用的廣泛的一種。它不僅適用于單向流,也適用于變相流。
       20 世紀 60 年代以前,普通的翅片管換熱器多采用表面結構未做任何處理的平翅片。這種形式的翅片除了增大換熱面積來達到強化傳熱的效果外,再無其他強化傳熱的作用。由于空冷技術的發展,以及在換熱器中使用氣體介質的趨向日益增加,因此翅片管式換熱器越來越受到人們的重視。隨著傳熱強化方面研究的進展,大量的高效換熱翅片表面結構不斷被研制出來,大部分用于潔凈氣體的翅片管式換熱器采用新型高效的翅片表面結構,獲得了較好的強化傳熱效果。與此同時,低肋螺紋管以及微細肋管等在蒸發、冷凝方面的相變換熱得到廣泛應用。翅片管換熱器由于在管表面上加翅,不僅傳熱面積增加,而且可以促進流體的湍流,所以傳熱系數比光管可提高 1~2 倍,特別是當翅片側的 α 遠低于另一側時效果尤其顯著。由于傳熱能力的增強和單位體積傳熱面加大,故與光管比在完成同一熱負荷時可用較少的管數,殼體直徑或者高度也相應減小,結構緊湊并使得金屬消耗量減少。因為翅片的材料可與基管不同,材料的選擇和利用更為合理。采用翅片管使得介質與壁面的平均溫差降低,減輕結垢,并且在翅片的脹縮作用下,已結的硬垢會自行脫落。翅片管換熱器作空冷器時,雖然比光管流阻大,造價高,體積比水冷器也要大得多,但由于節省了工業用水量,避免了工業用水排放所帶來的水污染,維護費用只有水系統的 20%~30%,空冷器得到了廣泛應用。在翅片管換熱器中,大部分情況下管內側流體是強迫對流換熱的,而管外是氣體,因此管外換熱系數比管內小得多,因此管外加翅片增加傳熱面積,但是盡可能增加翅化比不但使得換熱武器體積增加,而且使得翅片總效率,管外表面傳熱系數降低,所以提高翅化比是有限度的。
       2. 翅片管換熱器的分類及應用
       翅片管是翅片管換熱器的主要熱元件,翅片管由基管和翅片組合而成?;芡ǔ閳A管(圖 1-2(a)),也有扁平管(圖 1-2(b))和橢圓管(圖 1-2(c))。管內外流體通過管壁及翅片進行熱交換,由于翅片擴大了傳熱面積,使得換熱得以改善。翅片類型多種多樣,翅片表面結構有平翅片、間斷型翅片、波紋翅片和齒形螺旋翅片等。管與翅片的連接方式:壓緊機械配合、纏繞張緊、附著粘貼、軟釬焊、硬釬焊、焊接或擠壓。

圖 1-1 翅片管熱交換器
 
       (1)平翅片 平翅片主要通過增大換熱面積來達到強化傳熱的效果。平翅片結構簡單、易于加工,是應用較早和廣泛的翅片結構。
       (2)間斷型翅片 在平翅片表面開孔、開槽,使其表面結構改變的翅片稱為間斷型翅片。如條縫型翅片(slit fin)、槽型翅片(fluted fin)、百葉窗形翅片(louver fin)、穿孔形翅片等均屬于間斷型翅片。間斷型翅片強化傳熱的機理在于:一、使邊界層分層發展、有效的減薄了邊界層厚度;二、間斷縫的存在加強了氣體的擾動;三、管后的間斷縫(孔)對尾流區的干擾使尾流區不同程度的遭到了破壞。間斷型翅片在空-冷換熱器中的應用已經有很多年的歷史,隨著研究工作的深入,其換熱與阻力性能正不斷得得到改善。百葉窗型翅片是在平直套片上沖壓和切開,形成很多凸出的條狀狹條,其傳熱性能明顯高于平直套片和波形套片,但壓降也明顯增大。此外,這種翅片在較臟的環境下使用時易被玷污,因為在套片表面被沖出的凸出窄條易將纖維屑、棉屑等臟物絆住。與波形套片相比,影響百葉窗翅片性能的參數更多,如幾何尺寸、形狀、帶狀窄條的位置、窄條間的距離以及凸出套片表面的高度等。百葉窗型翅片的強化機理:表面上的條狀窄條使邊界層不斷破壞,氣體流過這些窄條時,邊界層不斷被折斷和重新形成,使邊界層厚度減薄,傳熱增強。由于邊界層的減薄使流動摩擦因子及壓降相應增大。
       (3)波紋翅片 由于波形套片的影響因素太多,至今仍無通用關系式,設計時若參數條件與現有文獻的參數相近,可以用文獻推薦的關系式,一般情況下可按比相同條件下平直套片的表面傳熱因子高出 30%左右。
       (4)齒形螺旋翅片 齒形螺旋翅片是近年來發展的一種異形擴展表面。其制造工藝是將帶材進行間隙局部切割,繞制時被切割部分自然分開,形成齒輪形狀。齒形翅片的強化傳熱機理仍然是加強了氣流的擾動并破壞了邊界層的發展。這種翅片在鍋爐省煤器、空氣預熱器中得到了廣泛應用。
       (5)橢圓管翅片 在外翅管的流動阻力中,由光管引起的阻力損失占相當大的比例,例如,在每米管長上有 356 片翅片的叉排翅片管管束中,當氣體橫向沖刷管束時,由光管引起的阻力損失占總流動阻力的 40%左右。如果管子的外形為橢圓形,由于橢圓形管的短軸投影面積比橫截面積相同的圓管小,所以,橢圓形管束的流動阻力要比相應圓管管束小。此外,由于在橢圓形管子上流體自管子表面分離點沿流動方向后移,縮小了管子后部的低速漩渦區,所以阻力可減小,表面傳熱系數可增大。橢圓管的制造工藝復雜并且承壓能力小。應用橢圓管時,管子內外的壓差不宜過高,以免橢圓管變形。下圖 1-2 表示了一臺理想單程錯排交叉流換熱器的芯體幾何特征。


 
圖 1-2 具有平直翅片的圓管換熱器
 
       3. 換熱器優化的發展現狀
       優化是科學研究、工程技術和經濟管理等領域的重要研究工具。它所研究的問題是基于優化目標在眾多的可行解或可行方案中尋找符合特定評價標準的較優方案。例如,工程設計中怎樣選擇設計參數,使設計方案既滿足實際要求,有能降低成本;資源分配中,怎樣分配有限資源,使分配方案既能滿足各方面基本要求,又能獲得好的經濟效益;諸如此類。不勝枚舉。優化這一技術,正是為這些問題的解決提供理論基礎和求解方法,它是一門應用廣泛、實用性很強的科學。根據要研究的目標函數的個數,我們把優化分為兩類:單目標優化和多目標優化。如果僅考慮一個目標函數,就成為單目標優化問題。如果考慮的目標函數超過一個并需要同等對待,那么尋找滿足這些目標的設計方案,就成為多目標優化問題。
       換熱器的優化設計是在滿足用戶需求、熱負荷和設計標準等的要求下,尋求滿足一個或者多個優化目標的設計方案。應用場合不同,選取的性能指標也有所不同,常用的性能指標有重量、體積、熵產率、阻力或者其他經濟指標等。
2020/08/17 10:10:54 286 次

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