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空调用空气换热器翅片形式的选择

晨怡热管 2009-11-8 12:29:31

1.前言
在空调工程中,空气的加热和冷却处理过程中大量用到的翅片管换热器采用盘管形式,
传热管束是用直径较小的紫铜管穿上铝翅片,排成2至8排制成管束。冷热水在管内为蛇形往复流动,空气在管外翅片间穿行,同时被加热或冷却。翅片采用整体式翅片形式,翅片片型有平板型、皱纹型(其中,波纹板应用最多)及开缝型(如条缝型、百叶窗型等),见图1。从1990s开始,百叶窗型的翅片在欧洲得到了大力发展。

(a)     (b)     (c)
(d)     (e)     (f)


      图1几种翅片形式

  1. 平板矩形百叶窗;(b)波纹板弧形百叶窗;(c)小翼带矩形百叶窗型;(d)横向皱纹板 ;(e)点状皱纹板;(f)三角形波纹板

不同翅片形式的换热器,其空气侧换热系数及阻力特性均有所差异。大量的实验发现:在获得好的热交换特性的同时,不可避免地造成了摩阻的增加。在给定的热交换器尺寸和风机运行曲线下,压力损失的提高必然造成空气流速的降低,并进而使空气与翅片壁面之间的传热温差降低。其次,空调工程中所使用的大部分换热器都是干、湿工况交替运行的,而不同翅片换热器在湿工况下的换热及阻力特性与干工况下相比,有很大差异。因此,如何正确选用翅片形式,对热交换器实际工作特性的影响不容忽视,最好的是在换热与阻力损失之间找到一种折衷的方案。

2.干工况下各种翅片换热器的性能对比
2.1 换热系数和压降损失
Giovanni Lozza和Umberto Merlo[1]对翅距2mm,翅厚0.11mm,管间距25mm,排间距21.65mm的各种翅片(见表1)进行了对比试验,试验时的迎面风速为1m/s到3m/s。表征空气侧换热强弱的Colburn j 因子和摩阻因子 f 与Re数的关系见图2和图3。

表1 各种翅片形式


翅片代号

翅片形式

开缝或皱纹宽度(mm)

P
N
C
L1
L2
W
X1
X2
X3

平板型
波纹板型
横向皱纹板型
平板矩形百叶窗
平板矩形百叶窗
平板小翼型带矩形百叶窗
波纹板弧形百叶窗
波纹板弧形百叶窗
波纹板弧形百叶窗

0.80
0.54
0.75
1.60+0.70
1.00
0.75
0.65

  
图2 j与雷诺数的关系      图3 f与雷诺数的关系

  由图2可看到,增强型翅片可极大地强化翅片换热器的换热性能。单从换热性能来说,
弧形百叶窗翅片的最优,其次为矩形百叶窗型、皱纹板型、波纹板型。究其原因为,光直翅片中,连续稳定的粘性层流层妨碍了流体与翅片的换热;波纹翅片破坏了连续稳定的粘性层流层,所以换热系数增大了;而开缝式翅片,不仅破坏了连续稳定的粘性层流层,而且大大增加了流道中的紊流度,从而使换热系数进一步增大。方形百叶窗和弧形百叶窗均是在翅片上开翻边槽,以此强化气流扰动,增强换热。弧形百叶窗型翅片的开槽是沿着铜管外壁进行的,这样的好处是气流可以在百叶窗型翻边的诱导下更大面积的冲刷到管后部,即减小铜管后部的尾流区域,强化换热。当迎面风速为2.5m/s时,它们与平板翅片换热器的换热因子的倍数见表2。
百叶窗型的翅片可极大地改善热交换性能,特别是弧形百叶窗翅片可获得非常高的换热系数,几乎是波纹片的两倍。但引起的阻力损失也较大;影响大小与条缝高度有关。比如X1(开缝宽度为1mm)型翅片换热器,其换热特性与其他高度的相比并无明显提高,但阻力特性增长却比较明显,因此,百叶窗条缝高度应严格控制。
另外,从图2及图3中还可看出,弧形百叶窗翅片的换热性能较矩形百叶窗翅片的增加较大,但压降损失与相同开缝宽度的矩形百叶窗式相比只是稍大一些。

表2 各种翅片在迎面风速Vy=2.5m/s时的性能参数对比

 

N

C

L1

L2

W

X1

X2

X3

j/j平板

1.14

1.27

1.54

1.80

1.83

2.36

2.14

2.28

f/f平板

1.18

1.24

1.45

1.90

2.29

2.70

2.13

2.11

2.2 影响换热器性能的几何因素
2.2.1 翅片间距
关于翅片间距对换热性能的影响,Rich研究了管径为13.34mm,管间距为27.5mm,
排间距为31.75mm情况下的14种平板翅片盘管的情况。试验结果得到:4排管时,换热性能与翅片间距无关;每排管的压力降也与管排数无关。然而对1排或2排管,规律有所不同。ReDc>5000时,涡流的影响占据了重要位置,翅片间距的影响可忽略。当ReDc<5000时,热交换性能随翅片间距的减小而增大。Wang等人的试验也证实了此观点,同时还证实了对多排百叶翅片和波纹翅片换热器具有相同规律。研究发现:较高的空气流速和较大的管排数都会导致涡流区域的产生,因此,翅片间距对换热系数的影响均可忽略。
2.2.2 管排数
对于平板型翅片:在管排数较大、翅片间距较小,且雷诺数较低时,管排数对换热特性的影响才显著起来。当ReDc<3000时,由于边界层的影响,换热因子将随管排数的增加而减小;管排数对摩擦阻力因子的影响相对较小。然而当ReDc>3000时,管排数对换热的影响将减小。
对于波纹形翅片:低雷诺数下,管排数对换热系数和摩擦系数没有明显的影响;而在高雷诺数下,换热系数会随着管排数的增加而增加。
对于开缝型翅片:低雷诺数下,管排数对换热系数有显著的影响,换热因子会随着管排数的增加而急剧降低;管排数对摩擦因子的影响相对较小。
2.2.3 管径
对于平板型翅片,管径越大的,造成管后的无效面积也越大。换热系数随着换热管管径的减小而稍有增大。比如,对于单排管和双排管,Dc=8.51mm时的换热系数比Dc=10.23mm的稍高;但Dc=10.23mm的压降却比Dc=8.51mm的要大10%—15%。
对于其它的翅片类型(波纹形翅片、条缝形翅片、百叶窗翅片),采用小管径,同样可以减小管排的拖曳作用,从而增大管外换热系数;并能够减小压降损失。如:对百叶窗翅片,当迎面风速Vfr<1.5m/s时,采用小管径的多排管结构有利于提高换热器的换热性能,并能够减小10%的压降损失。

3.湿工况下翅片换热器的性能变化
对湿工况下空气侧传热系数的报道一直存在争议。例如,McQuiston(1978a)指出湿工况下空气侧换热系数较干工况下略低,而Eckels和Rabas(1987)却得到相反的结论。
K.Hong和R.L.Webb[6]指出,在2.5m/s的迎面风速下, 湿工况和干工况下的压降比,百叶翅片的为2.4,而波纹翅片的仅为1.42。另据报道,根据翅片形式和湿负荷的不同,湿工况下的压降为干工况下的1.5~2.0倍。然而,对不同的翅片形式,湿工况下的热交换系数比干工况下低10~30%。总之,盘管表面的凝结液膜的产生将严重影响空气的换热特性和摩擦特性。
2000年,Wang以两种百叶窗形翅片在湿工况下的换热性能为研究对象进行了分析。实验结果表明:在湿工况的条件下,换热特性对翅片间距和管排数的变化不太敏感,结果与干工况下的特性十分接近。然而与换热特性不同的是,翅片间距的变化对摩擦特性有显著的影响,对于翅距=1.2mm的换热器比翅距=2.5mm的换热器摩擦因子大30%~50%;另外,管排间距越大,越有利于凝结水的排放,从而使换热器的压降损失降低。

4.换热器翅片表面性能的改进
铝翅片换热器在使用中存在如下问题:首先,铝翅片工作在干湿交替的环境中,其表面会形成Al2O3·H2O氧化层粉末,带来机器寿命减少和环境污染两方面的问题;此外,湿工况作业时,空气中的水分冷凝,附着在翅片上形成“水桥”,导致风阻增加,能耗加大。表面涂膜处理是解决问题的有效方法,空调热交换器表面涂膜处理技术是九十年代发展起来的新技术,主要进行耐蚀性涂膜处理和亲水性涂膜处理。
进行翅片表面涂膜处理后,空气侧的阻力特性会得到极大改观。Mimaki(1987)对带亲水涂层的换热器进行了研究,他发现,采用亲水涂层翅片后,湿工况下的压降降低到原来的40~50%;且空气侧的热传递系数增加了2~3个百分点。K.Hong和R.L.Webb[6]发现,对波纹片、开缝片和百叶片三种翅片形式,在2.5m/s迎面风速时,带亲水涂覆层时的湿工况和干工况下的压降比均为1.2。即对湿盘管,在百叶翅片和波纹翅片上采用亲水涂覆层,当迎面风速为2.5m/s时,可使湿工况下压降损失分别降低45%和15%。因此,涂覆层对百叶翅片的影响要比对波纹翅片的影响大。

5.结论
热交换系数大的翅片能够在相同容积和造价下提高热交换器的热交换能力,但是阻力的增加在固定的风机运行曲线下会降低空气的流量。空气流量的降低有两方面的的不利因素:第一降低的空气流速会降低热交换系数;第二在表冷器中空气温度的提高,使相同起始温差下的LMTD降低。因此,设计人员应充分了解所选换热器的翅片形式,并根据使用场合不同区别对待。
(1)在干工况下,尽量采用换热系数大的翅片形式,如开缝翅片,其中弧形百叶窗翅片形式换热特性更为突出;但由于开缝翅片的阻力较大,因此,在需要相同换热量时,尽量选用迎风面积较大的,而不是排数较大的,以充分利用增强型翅片的优点,而不增加它的风机功率;
(2)在湿工况下,开缝翅片的阻力增加较多,系统风量会减少,此时,可考虑采用波纹形翅片换热器,且翅片间距不宜太小;
(3)当翅片换热器需要在干、湿工况下交替运行时,可在翅片表面添加亲水性镀膜,它对换热性能影响极小,但可极大地降低湿工况下空气流动阻力,对百叶翅片的效果更佳。在此情况下,可尽量采用百叶型翅片。
(4)尽量选用小管径的翅片换热器,其换热特性和阻力特性较大管径的均有所改善。
(5)新风机组和风机盘管换热器采用不同的翅片形式,如可用新风负担室内全部湿负荷,换热器采用波纹片的;而风机盘管采用开缝翅片,完全在干工况下工作。

参考资料:
1.Giovanni Lozza,Umberto Merlo. An experimental investigation of heat transfer and friction losses of interrupted and wavy fins for fin-and-tube heat exchangers, International Journal of Refrigeration 24(2001):409-416
2.Wei-Mon Yan, etc. Performance of finned tube heat exchangers operating under frosting conditions, International Journal of Heat and Mass Transfer 46(2003):871-877
3.Chi-Chun Wang, Kuan-Yu Chi. Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers, partⅠ:new experimental data, International Journal of Heat and Mass Transfer 43(2000):2681-2691
4.骆仲泱等,翅片形式对强化换热影响的研究及其效应评价,热能动力工程,1996.9,P257~261
5.黄红斌等,不同冲缝片冷凝器换热理论和实验研究,家电科技,2003.1:P77~79
6.K.Hong, R.L.Webb, Performance of Dehumidifying Heat Exchangers With and WithoutWetting Coatings, Transactions of the ASME, 1999.11(Vol.121):1018~1026

作者简介:
樊越胜,男,1965年5月,副教授,西安建筑科技大学6号信箱收(邮政编码:710055);电话:02982202729(O);13087509906,Email:fanyuesheng@163.com

责任编辑: banye 参与评论
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