管外冷凝強(qiáng)化換熱管的結(jié)構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)

林夢(mèng)　歐陽新萍　袁道安

摘 要： 介紹了各種類型的管外冷凝強(qiáng)化換熱管，分析了其強(qiáng)化機(jī)理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并總結(jié)得出：管外冷凝強(qiáng)化管的換熱系數(shù)與管型有關(guān)，且各管型的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)強(qiáng)化傳熱具有重要的作用.對(duì)國內(nèi)外管外冷凝強(qiáng)化技術(shù)研究工作進(jìn)行分析，結(jié)果表明，目前管外冷凝強(qiáng)化換熱管的研究主要集中于翅片形狀、翅片密度、翅片高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響.強(qiáng)化換熱管的冷凝傳熱性能不僅與翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且也與管材的表面特性和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān).管外冷凝強(qiáng)化換熱管的研究重點(diǎn)是開發(fā)新型三維結(jié)構(gòu)翅片的雙側(cè)強(qiáng)化管并研究其傳熱關(guān)聯(lián)式，以及研究不銹鋼等低成本材料制造的強(qiáng)化管換熱管的傳熱性能和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.

關(guān)鍵詞：管外冷凝； 強(qiáng)化換熱管； 傳熱機(jī)理

中圖分類號(hào)： TB 61+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

冷凝器作為制冷系統(tǒng)中主要的換熱元件其換熱效率對(duì)于系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義.凝結(jié)換熱能夠以較低的溫差獲得較大的熱流密度，在傳熱和節(jié)能領(lǐng)域占有十分重要的地位.由于凝結(jié)換熱的主要熱阻在制冷劑側(cè)，故管外冷凝強(qiáng)化換熱管主要通過機(jī)械加工換熱管表面結(jié)構(gòu)使換熱面積增加、液膜厚度減小，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的.

隨著加工技術(shù)的發(fā)展，管外冷凝強(qiáng)化換熱管的開發(fā)和應(yīng)用也日趨成熟.從二維到三維，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，國內(nèi)外出現(xiàn)了各種類型的強(qiáng)化管，如整體翅片管、波紋管、螺旋扁管和各種復(fù)合強(qiáng)化管等.強(qiáng)化管的傳熱系數(shù)與管型有關(guān)，且加工參數(shù)對(duì)其傳熱性能也有較大的影響.

1 管外冷凝強(qiáng)化換熱管

1.1 整體翅片管

低肋管是最早采用強(qiáng)化管外蒸氣冷凝傳熱的強(qiáng)化管.低肋管的翅片結(jié)構(gòu)不僅增加了換熱面積，而且拉薄了冷凝液膜.在低肋管的基礎(chǔ)上，德國Wieland公司開發(fā)出GEWA翅片管，它的翅片外緣呈V字形，且其管外凝結(jié)傳熱系數(shù)是低肋管的1.2～1.6 倍[1].

強(qiáng)化管技術(shù)的發(fā)展及加工技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了異型翅片管的發(fā)展.圖1給出了各種強(qiáng)化管結(jié)構(gòu).這些翅片管的翅片形狀特殊，其中Thermoexcel-C管（簡(jiǎn)稱翅片C管）最具有代表性，如圖1（a）所示.翅片C管是三維翅片管，其冷凝傳熱系數(shù)是低肋管的1.5～2 倍，比GEWA翅片管的約高80%.翅片C管的強(qiáng)化凝結(jié)換熱主要機(jī)理是由于三維翅片結(jié)構(gòu)增加了表面張力，從而拉薄了翅片液膜表面凝結(jié)厚度；翅片C管的冷凝液淹沒區(qū)小于相同肋間距的低肋管，并且在淹沒區(qū)的凝結(jié)換熱性能優(yōu)于低肋管.而后日本制造的CCS管，如圖1（b）所示，其凝結(jié)換熱性能與翅片C管的相當(dāng).

由于三維翅片管優(yōu)越的傳熱效果，很多學(xué)者對(duì)三維翅片的開發(fā)進(jìn)行了大量研究，如華南理工大學(xué)開發(fā)了鋸齒形翅片管、花瓣形翅片管、A形翅片管，分別如圖1（c）、（d）、（e）所示.當(dāng)冷凝傳熱溫差相同時(shí)，鋸齒形翅片管的凝結(jié)換熱系數(shù)是普通低肋管的1.5～2 倍[2].當(dāng)熱流密度相同時(shí)，花瓣形翅片管的凝結(jié)換熱系數(shù)高達(dá)光滑管的14～20倍.銅制A形翅片管冷凝強(qiáng)化傳熱性能可達(dá)相同內(nèi)徑和壁厚光管的7倍左右.類似的三維結(jié)構(gòu)翅片管還有斜翅管和矩翅管，分別如圖1（f）、（g）所示.陳建紅等[3]對(duì)斜翅管和矩翅管進(jìn)行了傳熱實(shí)驗(yàn)分析，得出斜翅管比低肋管的管外凝結(jié)換熱性能提高了89%～106%.

當(dāng)管外傳熱得到有效強(qiáng)化后，管外側(cè)熱阻明顯減小，管內(nèi)側(cè)熱阻的影響就會(huì)突顯出來，于是出現(xiàn)了對(duì)內(nèi)表面采用螺旋線或橫紋結(jié)構(gòu)的雙側(cè)強(qiáng)化管，運(yùn)用促進(jìn)湍流的原理強(qiáng)化了管內(nèi)冷卻水的對(duì)流換熱，從而使整個(gè)傳熱過程能得到更為有效的強(qiáng)化[4].雙側(cè)強(qiáng)化的螺旋槽鋸齒形翅片管與單側(cè)強(qiáng)化的鋸齒形翅片管相比，其總傳熱系數(shù)高22%～35%，并且管內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)和管外凝結(jié)換熱系數(shù)幾乎一樣[5].趙安利等[6]的研究表明，在一定范圍內(nèi)，強(qiáng)化倍率隨內(nèi)齒高的升高而增大.

1.2 異形強(qiáng)化管

最常見的異形強(qiáng)化管有螺旋槽管、螺旋扁管和波紋管.螺旋槽管如圖2所示，其管外冷凝換熱的強(qiáng)化機(jī)理為：管內(nèi)壁上的螺旋型凹槽結(jié)構(gòu)使得工質(zhì)在近壁面流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一種附加的螺旋形流動(dòng)，使得邊界層厚度減小，熱阻減??；管外冷凝液在表面張力和螺旋型排液通道的作用下產(chǎn)生了較高的離心力，有利于排除冷凝液，并且減小了液膜厚度.螺旋管管外傳熱系數(shù)約為光滑管的1.5倍，整體傳熱性能較光滑管提高2～4倍[7].近年來，國際上出現(xiàn)了一種新的強(qiáng)化管，即螺旋扁管，如圖3所示.由于其具有高效的傳熱性能，故國內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究[8].螺旋扁管換熱器殼程不需要布置折流板，避免了流動(dòng)死區(qū)的產(chǎn)生，而且具有較小的流動(dòng)阻力，其特殊的螺旋結(jié)構(gòu)還促進(jìn)了污垢的自清潔.楊勝等[9]研究了螺旋扁管管外蒸氣雙側(cè)強(qiáng)化換熱性能，指出：管內(nèi)表面螺旋結(jié)構(gòu)使得流體產(chǎn)生縱向旋轉(zhuǎn)和二次旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，促進(jìn)了流體的擾動(dòng)，從而提高了換熱效率；管外冷凝傳熱過程中換熱表面曲率半徑發(fā)生變化，使得產(chǎn)生的表面張力有助于冷凝液的排除.顧紅芳[10]研究得出，在質(zhì)量流量較大時(shí)，管徑Φ25 mm×2.5 mm、翅片節(jié)距160 mm 的螺旋扁管的凝結(jié)換熱系數(shù)是相同條件下光管的2～3.4倍.

波紋管結(jié)構(gòu)如圖4所示，是近年來強(qiáng)化換熱領(lǐng)域出現(xiàn)的具有重要意義的一種強(qiáng)化管結(jié)構(gòu).波峰區(qū)的冷凝是膜狀的，但傳熱系數(shù)卻在珠狀傳熱系數(shù)范圍內(nèi)[11]，是相同條件下光管的4.5～6倍[12].波紋管強(qiáng)化傳熱有兩個(gè)特點(diǎn)[13]：① 面積增加；② 波紋管波紋表面曲率很小，冷凝液膜受表面張力的影響較大，促使波峰區(qū)液膜變薄.其中后者起主要的強(qiáng)化傳熱作用.并且波紋管弧形段內(nèi)壁處由于形成兩次反向攏動(dòng)，在很大程度上破壞了邊界層，使得管內(nèi)換熱系數(shù)得到很大的提高[14].

2 管外冷凝強(qiáng)化管的研究新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 管外冷凝強(qiáng)化管的研究新進(jìn)展

2.1.1 新型強(qiáng)化管的開發(fā)

近年來，有學(xué)者在現(xiàn)有管外冷凝強(qiáng)化換熱管的基礎(chǔ)上研究開發(fā)出了一些新型強(qiáng)化管，如異形凹槽螺旋槽管和新型縱向流開槽傘形翅片管.

異形凹槽螺旋槽管[15]是在螺旋槽管基礎(chǔ)上加工而成的一種新型強(qiáng)化管，如圖5所示.異形凹槽螺旋槽管的剖面呈非圓弧形，并運(yùn)用半流線的結(jié)構(gòu)面，在管壁上形成一種具有外凹內(nèi)凸的特殊表面結(jié)構(gòu).這種凹槽結(jié)構(gòu)由于其流線型使得流動(dòng)阻力較小，而且后一半的陡壁結(jié)構(gòu)又促使邊界層產(chǎn)生了分離.異形凹槽螺旋槽管最大的特點(diǎn)在于冷凝液的滯流區(qū)形成了漩渦集中區(qū)，有效強(qiáng)化了管外傳熱系數(shù).其管壁上這種特殊的凹凸結(jié)構(gòu)使得管內(nèi)外的換熱系數(shù)均得到了很大的提高.

李靜等[16]提出一種新型縱向流開槽傘形翅片管.這種特殊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化管是在傳統(tǒng)縱向翅片管的基礎(chǔ)上加工而成，即將縱向翅片縱向斷開，如圖6所示.翅片為三角形，斷開部分呈梯形槽狀.與圓形翅片管相比，其流動(dòng)阻力更小.其對(duì)管外冷凝換熱的強(qiáng)化機(jī)理不僅在于擴(kuò)大了傳熱面積，而且三維翅片結(jié)構(gòu)使得表面張力增加，液膜厚度減小.煙氣實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)翅片后側(cè)與基管之間夾角為105°時(shí)，縱向流開槽傘形翅片管的換熱性能最優(yōu)，說明該夾角與其換熱系數(shù)有很大關(guān)系.

2.1.2 強(qiáng)化管管型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究進(jìn)展

在開發(fā)新型強(qiáng)化管的同時(shí)，許多學(xué)者就表面?zhèn)鳠釓?qiáng)化管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響也進(jìn)行了大量研究.

在二維整體翅片管的研究方面，谷波等[17]對(duì)低螺紋管進(jìn)行冷凝換熱分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨著冷凝溫度、翅片夾角、翅片間距和當(dāng)量翅高的增大，傳熱系數(shù)均呈減小趨勢(shì)；當(dāng)翅片間距增加至某一值時(shí)，傳熱系數(shù)的變化非常小，而當(dāng)量翅高的增加，對(duì)傳熱系數(shù)的下降梯度影響不大.Park等[18]的研究表明，外徑19 mm的低肋管的換熱系數(shù)隨著翅片密度的增加而增大，但當(dāng)翅片密度超過每英寸28片時(shí)，換熱系數(shù)將急劇減小.Yun等[19]對(duì)低熱流量下不銹鋼整體翅片管進(jìn)行了膜狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出翅片密度為每英寸19片的強(qiáng)化管的強(qiáng)化換熱增強(qiáng)系數(shù)大于翅片密度為每英寸26片的強(qiáng)化管，且當(dāng)冷凝液膜的溫差小于0.7℃時(shí)，這兩種強(qiáng)化管的強(qiáng)化換熱增強(qiáng)系數(shù)之間的差值會(huì)更大.Ji等[20]對(duì)5種翅片密度的二維翅片管和三維翅片管進(jìn)行了單管和管束換熱性能研究，通過實(shí)驗(yàn)分析指出：在高雷諾數(shù)時(shí)，二維翅片管的換熱系數(shù)隨著翅片密度的增加而增大，甚至超過三維翅片管的換熱系數(shù).

在三維整體翅片管的研究方面，Zhang等[21-22]的研究表明，花瓣形翅片管的換熱系數(shù)隨著翅片高度的增加而增加，隨著翅片間距的增加而減小，且花瓣形翅片管外添加螺旋折流板后其換熱系數(shù)是低肋管添加螺旋折流板后的1.56倍.Zhang等[23]對(duì)一組三維翅片管和二維低肋管進(jìn)行了傳熱實(shí)驗(yàn)，研究得出，三維翅片管換熱增強(qiáng)系數(shù)比二維低肋管的大，且翅片密度越大，增強(qiáng)系數(shù)越大.黃緯等[24]研究了三維整體外翅片銅管的冷凝換熱性能，指出：切削深度由0.75 mm增大至0.90 mm時(shí)，管外凝結(jié)換熱系數(shù)增加了30%；進(jìn)給量由1.80 mm·r-1增加至1.65 mm·r-1時(shí)，管外凝結(jié)換熱系數(shù)增加了77.4%.這表明隨著翅片高度和翅片密度的增大，管外換熱系數(shù)增加，且受翅片密度的影響更大.史維秀等[25]對(duì)兩種新型強(qiáng)化管（管1和管2）分別進(jìn)行試驗(yàn)研究.管1外表面結(jié)構(gòu)為在螺紋槽表面加工波紋槽，同時(shí)內(nèi)表面與外表面波紋槽對(duì)應(yīng)凸起；管2外表面加工成棱柱狀凸起.研究表明，管1和管2兩種強(qiáng)化管的管外凝結(jié)換熱系數(shù)分別為光滑管的2.89倍和1.75倍.Ali等[26]對(duì)一種截面為矩形的針翅管進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：該強(qiáng)化管的換熱系數(shù)與圓周方向的翅片厚度無關(guān)，但受圓周方向的翅片間距影響很大，最佳翅片間距比試驗(yàn)中的0.5 mm小；該強(qiáng)化管的增強(qiáng)系數(shù)為4.9，與二維翅片管中的最大值相近，是光滑管的1.2倍.

在其它強(qiáng)化管的研究方面，顧紅芳等[27]對(duì)水平螺旋管外V型槽外強(qiáng)化冷凝傳熱的研究表明：隨著V型槽角度的增加，換熱系數(shù)將增加，同時(shí)壓力梯度減小導(dǎo)致冷凝液流速減?。欢S著槽數(shù)的增加，使得傳熱面積增加，表面張力增大，換熱系數(shù)增加，但增加到一定值時(shí)，換熱系數(shù)反而降低，且槽數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響比對(duì)角度的影響大，故存在一個(gè)最佳角度和最佳槽數(shù)；槽角度為60°、槽數(shù)為28時(shí)，換熱系數(shù)可達(dá)螺旋光滑管的8倍.武俊梅等[28]研究了具有縱向肋片的水平復(fù)合管的傳熱性能，采用二維模型計(jì)算得出：隨著肋片相對(duì)高度和肋片數(shù)的增加，換熱量增大，但增加到一定值時(shí)，換熱量增加緩慢；6個(gè)肋片、相對(duì)高度均為4.0時(shí)，換熱量可達(dá)最大值.余敏等[29]的研究表明，螺旋升角對(duì)螺旋槽管的凝結(jié)換熱過程有著不可忽視的影響，較大的螺旋升角有利于排除冷凝液，從而增強(qiáng)換熱系數(shù).Esfahani等[30]的研究表明，橢圓管的換熱系數(shù)隨著橢圓率的減小而增大.Zhang等[31]研究得出螺旋扁管的管外冷凝換熱系數(shù)隨著節(jié)距和橢圓率的增大而增大.

由此可見，管外冷凝強(qiáng)化管的換熱系數(shù)與管型有關(guān)，且各管型的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)強(qiáng)化傳熱效果具有重要的影響.在強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展中，研究管型和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷凝強(qiáng)化管換熱性能的影響有著不可忽視的意義.

2.2 管外冷凝強(qiáng)化換熱管的發(fā)展趨勢(shì)

由于三維結(jié)構(gòu)翅片管具有最高的管外凝結(jié)換熱系數(shù)，因此目前三維翅片強(qiáng)化管成為管外冷凝強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn).新型管外冷凝強(qiáng)化換熱管的研究主要是在現(xiàn)有的三維翅片管的基礎(chǔ)上，對(duì)其翅片形狀、翅片密度、翅片高度、翅片與基管的角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最佳傳熱系數(shù).同時(shí)，不同的基管管型（圓形、橢圓形）也是各種三維翅片強(qiáng)化管研究的重點(diǎn).其中，三維結(jié)構(gòu)翅片雙側(cè)強(qiáng)化管不僅管外凝結(jié)換熱系數(shù)大大增強(qiáng)，而且管內(nèi)換熱系數(shù)也得到提高，從而提高了總換熱系數(shù)，故開發(fā)新型三維結(jié)構(gòu)翅片的雙側(cè)強(qiáng)化管仍然是今后研究的重點(diǎn).

與三維結(jié)構(gòu)翅片管復(fù)雜的加工工藝相比，螺旋扁管和波紋管等異形換熱管因?yàn)槠浜?jiǎn)單的制造工藝、自潔能力和雙側(cè)強(qiáng)化傳熱機(jī)理也成為近年來研究的焦點(diǎn).雖然其換熱系數(shù)不及三維結(jié)構(gòu)翅片管高，但由于其在管殼式換熱器的殼程設(shè)計(jì)中不需要折流板，以及自身良好的自潔能力，從而減少了換熱器的體積，簡(jiǎn)化了清潔工序，故在實(shí)際運(yùn)用中具有重要的意義.

強(qiáng)化管的冷凝傳熱性能不僅與翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且也與管材的表面特性和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān).有關(guān)學(xué)者對(duì)制冷工質(zhì)在白銅、不銹鋼和鈦材強(qiáng)化管外的凝結(jié)換熱性能的研究[32-33]表明：對(duì)于R22管外的凝結(jié)換熱，白銅強(qiáng)化管的凝結(jié)換熱系數(shù)高達(dá)其光管的3.4～5.3倍，而紫銅Turbo-C管的凝結(jié)換熱系數(shù)則是其光管的8倍左右；對(duì)于R134a，鈦材低肋管外的凝結(jié)換熱的強(qiáng)化倍率是鈦材光管的3.54～4.1倍.文獻(xiàn)[19]研究了不銹鋼低肋管外的凝結(jié)換熱性能，得出翅片密度為每英寸19片的低肋管的強(qiáng)化倍率是不銹鋼光管的4.4倍以上.由此可看出，強(qiáng)化管材料不同將會(huì)使得其傳熱性能大不相同.對(duì)于不銹鋼制成的強(qiáng)化管，在同樣的工況條件下，其強(qiáng)化倍率大約只有紫銅強(qiáng)化管的一半.不銹鋼由于其價(jià)格低廉越來越受到市場(chǎng)的青睞，故研究不銹鋼強(qiáng)化管的傳熱性能和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化必定會(huì)為傳熱領(lǐng)域帶來一場(chǎng)新的革命.

對(duì)于管外冷凝，我國目前在制冷與空調(diào)系統(tǒng)中的冷凝器大部分采用了雙側(cè)強(qiáng)化三維結(jié)構(gòu)翅片管，新型的冷凝強(qiáng)化傳熱技術(shù)還在研究中.從傳熱的強(qiáng)化倍率來看，其數(shù)值很難再有重大提升，研究重點(diǎn)應(yīng)在成本的降低、材料的選用以及傳熱特性的分析方面.目前涉及強(qiáng)化管的傳熱關(guān)聯(lián)式都需要結(jié)合理論和專門的實(shí)驗(yàn)研究，并沒有統(tǒng)一、具體的傳熱關(guān)聯(lián)式可用于實(shí)際分析中.為了推動(dòng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，如何解決這些問題將成為研究的焦點(diǎn).

3 結(jié) 語

本文介紹了各種具有高效管外凝結(jié)換熱性能的強(qiáng)化管，并分析了其強(qiáng)化傳熱機(jī)理.目前研究主要集中在翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三維結(jié)構(gòu)翅片管換熱性能的影響上.由于三維結(jié)構(gòu)翅片雙側(cè)強(qiáng)化管大大提高了管外凝結(jié)換熱系數(shù)，同時(shí)管內(nèi)換熱系數(shù)也得到提高，從而提高了總換熱系數(shù)，故開發(fā)新型三維結(jié)構(gòu)翅片的雙側(cè)強(qiáng)化管和研究其傳熱關(guān)聯(lián)式仍然是今后研究的重點(diǎn).加快不銹鋼等低成本材料強(qiáng)化管的開發(fā)和應(yīng)用對(duì)當(dāng)今市場(chǎng)也具有一定的促進(jìn)意義.

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