扁管換熱元件強(qiáng)化傳熱特性分析★

賀士晶 王松慶 劉曙光

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

扁管換熱元件強(qiáng)化傳熱特性分析★

賀士晶 王松慶 劉曙光

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對扁管換熱元件，從提高換熱面積和增強(qiáng)流體湍流程度兩方面，通過橫截面積對比和對管內(nèi)流體流動狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，對其強(qiáng)化傳熱特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明扁管與傳統(tǒng)圓管相比可以提高傳熱面積，換熱器殼徑相同時，扁管布管比圓管多，大大提高了殼程空間的利用率,并且相同管內(nèi)流量的情況下管內(nèi)流速增加，增大了管內(nèi)流體的湍動程度,有利于促進(jìn)熱量的傳遞，扁管的管內(nèi)對流傳熱要好于圓管。

扁管，強(qiáng)化傳熱，傳熱特性

0 引言

換熱器是采暖空調(diào)系統(tǒng)中的主要設(shè)備，也是建筑節(jié)能中最基本的節(jié)能單元。在建筑能耗中，采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗占一半以上，故提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率，開發(fā)高效的冷熱源設(shè)備是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑。尋求換熱器高效化，小型化一直是優(yōu)化換熱設(shè)備的主要方向。強(qiáng)化傳熱技術(shù)是指能顯著改善傳熱性能的節(jié)能新技術(shù)[1]，如采用改變換熱器殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、采用換熱元件，通過改進(jìn)換熱元件內(nèi)部或外部結(jié)構(gòu)等方法，提高換熱器的傳熱效率。從而在滿足相同傳熱量的前提下減少能源消耗、節(jié)約原材料，從而降低換熱設(shè)備的初投資及設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用等。

扁管是一種強(qiáng)化換熱元件，是由相同周長的圓管壓制而成，橫截面由兩個對稱直邊和兩個對稱半圓弧組成，直邊側(cè)平壁相當(dāng)于板式換熱器的板壁，其管束的傳熱特性更接近板束的傳熱，圓管被壓制成扁管后與傳統(tǒng)圓管相比，橫截面積減小，當(dāng)量直徑降低，在相同流量下速度得以提高，可以增強(qiáng)流體湍動程度，起到強(qiáng)化對流換熱的目的。并且與傳統(tǒng)圓管相比橫截面積的減小增加了換熱器殼體內(nèi)的布管數(shù)量，有效提高了換熱器殼程的利用率?？梢?，扁管管束組成的管殼式換熱器既保留了可靠性高、單管易更換、結(jié)構(gòu)簡單的性能，又可強(qiáng)化換熱使其換熱能力接近板式換熱器的特點(diǎn)。

1 扁管換熱元件的應(yīng)用及研究

在空調(diào)系統(tǒng)、余熱利用、車輛冷卻等領(lǐng)域都有扁管換熱元件應(yīng)用的相關(guān)研究。

換熱器是空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備，其換熱效率直接影響著系統(tǒng)的整體效率和節(jié)能效果。換熱設(shè)備的高效化和小型化有利于降低整個系統(tǒng)的體積和重量以及降低系統(tǒng)設(shè)備的初投資。因此，研究結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的高效換熱器是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能及高效化的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于扁管換熱器具有較高的換熱能力和較高的性價比，目前一些空調(diào)廠商都在嘗試在空調(diào)中使用扁管換熱器[2]。在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用扁管換熱元件的扁管換熱器，由于扁管橫截面積小于圓管，所以迎風(fēng)側(cè)與空氣接觸面積小，可以降低迎風(fēng)側(cè)阻力，增強(qiáng)風(fēng)側(cè)對流換熱系數(shù)，達(dá)到提高對流換熱系數(shù)、降低空氣阻力的目的。當(dāng)氣流做橫向沖刷流動時，扁管具有傳熱系數(shù)大、阻力損失較小的優(yōu)點(diǎn)，因此扁管換熱元件在車輛冷卻傳熱上得到了廣泛的應(yīng)用。

在余熱利用中，高效的換熱器是余熱利用的關(guān)鍵，文獻(xiàn)[3]中針對水—水換熱特點(diǎn)，成功開發(fā)出波紋扁管換熱器，在扁管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其平直段的內(nèi)外兩側(cè)加工成波紋形狀。強(qiáng)化管內(nèi)對流換熱的同時也增強(qiáng)了管外即換熱器殼程空間的換熱效率。降低了單位換熱量所占體積，達(dá)到了換熱器高效化和小型化的目的。文獻(xiàn)將高效波紋扁管換熱器應(yīng)用在某印染企業(yè)廢水的余熱利用中，將其余熱用于鍋爐給水的預(yù)熱，提高了鍋爐的給水溫度，收到了顯著的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。

文獻(xiàn)[4]～[7]對扁管換熱元件及扁管換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明扁管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高、維修方便、金屬耗量少等優(yōu)點(diǎn)。

2 扁管換熱元件傳熱面積的提高

扁管的幾何尺寸如圖1所示，圖1中ho為扁管的外部高度，Do為圓管(基管)的外徑。其中圖1a)為圓管，其外徑Do為16 mm，壁厚1 mm，以此圓管為基管壓制成三種尺寸的扁管分別為圖1b)1號扁管，圖1c)2號扁管，圖1d)3號扁管，具體尺寸如圖1所示。

圓管被壓制成扁管后，其當(dāng)量直徑變小，φ16 mm×1 mm的圓管壓成如圖1所示三種幾何尺寸的1號、2號、3號扁管時，其截面面積分別降低了37.6%,20.6%和10.6%。與圓管相比橫截面積的降低可以增加在換熱器殼體內(nèi)的布管數(shù)量，增加換熱器的換熱面積，提高殼體空間的利用率。在殼徑相同時提高換熱器的傳熱量。據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究表明，圓管被壓制為扁管時，其當(dāng)量直徑小。用φ19 mm的圓管壓制成h×l為9 mm×15.7 mm扁管時，對于殼內(nèi)徑為160 mm的換熱器，φ19 mm的圓管可排21根，而扁管則可排9 mm×15.7 mm的扁管35根。扁管換熱面積提高87%，而在管板上的開孔面積僅比圓管管板多16.7%。由扁管換熱元件組成的扁管殼式換熱器，結(jié)構(gòu)更為緊湊、能夠顯著的提高單位體積內(nèi)的傳熱面積。在相同傳熱量要求下，換熱器的體積得以減小。

3 扁管強(qiáng)化管內(nèi)對流換熱的機(jī)理分析

為進(jìn)一步分析扁管內(nèi)部對流換熱的特點(diǎn)，應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行了圓管和扁管內(nèi)部流動介質(zhì)流動情況的模擬。模擬結(jié)果如圖2～圖5所示。選取的流動介質(zhì)為液態(tài)水，模擬條件如下：

1)試驗(yàn)圓管及三種尺寸扁管管道入口處的給定入口溫度和速度均相同；

2)出口壓力為0、無回流條件、壁面溫度恒定且壁面無滑移；

3)物性參數(shù)為等效溫度下的常量。圖2為圓管出口截面上的速度云圖，圖3～圖5為三種尺寸扁管出口截面上的速度云圖。

對比可見在管內(nèi)流速最大值vmax相同的情況下，1號、2號、3號扁管截面流體的速度梯度均大于圓管，速度梯度的增大有利于近壁流體的擾動。在對流換熱中，其熱阻主要集中在靠近壁面的薄層中，靠近壁面流體速度的提高可以使熱量更快滲透通過主要熱阻區(qū)，熱量滲透通過這一薄層后將很快被中心流體帶走，達(dá)到強(qiáng)化流體對流換熱的目的。因此，圓管被壓制成扁管后可促進(jìn)熱量的傳遞，強(qiáng)化管內(nèi)對流換熱。

由圖3～圖5中的速度分布可以發(fā)現(xiàn)，扁管直邊側(cè)的速度梯度要明顯大于圓弧側(cè)的速度梯度。1號、2號、3號扁管出口截面的速度分布也存在差異，圖中對比顯示1號扁管的速度梯度最大，扁管被壓制的越扁，流體通道越窄壁面與流體中心的距離越近，速度梯度就越大，更利于提高管內(nèi)對流傳熱效率。因此扁管壓扁程度越大速度梯度越大，強(qiáng)化換熱效果越明顯。

經(jīng)上述分析，相同流動條件下，扁管兩個直邊和兩個圓弧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以增大管截面的速度梯度，并且被壓制最扁的1號扁管的速度梯度最大，管內(nèi)傳熱系數(shù)最高。因此與圓管相比扁管有很好的強(qiáng)化換熱的能力。

4 結(jié)語

1)高效換熱器是采暖空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵，扁管與圓管相比強(qiáng)化傳熱效果顯著，其構(gòu)成的高效換熱器更利于建筑節(jié)能以及系統(tǒng)對低品位熱能的應(yīng)用。

2)扁管直邊側(cè)的壁面類似于板式換熱器中的板片，因此由扁管組成的換熱器將具有接近板殼式換熱器的高傳熱性能，并且相同流量，扁管內(nèi)部與圓管相比流體更易于達(dá)到湍流，可提高管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。

3)扁管具有兩個直邊和兩個圓弧的截面特點(diǎn)，與圓管比較相同周長下橫截面面積減小，相同空間內(nèi)扁管的布管密度更大，結(jié)構(gòu)更為緊湊，又加之對管內(nèi)對流換熱的強(qiáng)化效果，這兩方面的特點(diǎn)可以使單位換熱量的管材消耗量大幅度下降，有利于設(shè)備小型化和降低設(shè)備造價。

[1] 崔海亭，彭培英.強(qiáng)化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 阮永基.扁管換熱器在空調(diào)上的應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017(3)：43.

[3] 徐 濤，李俊杰.波紋扁管換熱器在廢水余熱回收中的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)與管理，2014(4):15-16.

[4] 王澤武，喻九陽，馮興奎.扁管管內(nèi)傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，2003(25)：71-74.

[5] 喻九陽，王澤武，馮興奎.扁管管束殼程傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢化工學(xué)院學(xué)報，2004(26)：61-63.

[6] Yeon-Pun Chang，Rueyyih Tsai，Jiin-Wen Hwang. Condensing heat transfer characteristics of aluminum flat tube[J].Applied Thermal Engineering,1997(17):1055-1065.

[7] 孔麗君，生立夫，劉俊杰.國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)用脹接式中冷器的比較[J].內(nèi)燃機(jī)車,2002(4)：1-7.

[8] 王澤武.扁管殼式換熱器性能研究與開發(fā)[D].武漢：武漢化工學(xué)院碩士學(xué)位論文，2004.

Theanalysisofheattransferenhancementcharacteristicforflattube★

HeShijingWangSongqingLiuShuguang

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The analysis on heat transfer enhancement characteristic for flat tube, which was considered both enhancing heat exchange area and increasing the extent of fluid turbulent, was carried out by cross-sectional area comparison and fluid flow state simulation in the tube. Compared with the circular tube, the result indicates that the area of heat exchange tube is increased. And the utilization rate of the shell space with different number of tubes, under the same shell diameter, is improved obviously. Under the same rate of flow,the velocity of flow is increased which could improve heat transfer for turbulent degree variation. The effect of convective heat transfer is better than circular tube.

flat tube, heat transfer enhancement, heat exchange characteristics

1009-6825(2017)28-0197-02

2017-07-23★:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：DL11BB30)

賀士晶(1983- )，女，博士，講師

TU831.3

A