1.前言
在空調(diào)工程中,空氣的加熱和冷卻處理過程中大量用到的翅片管
冷卻器采用盤管形式,傳熱管束是用直徑較小的紫銅管穿上鋁翅片,排成2至8排制成管束。冷熱水在管內(nèi)為蛇形往復(fù)流動(dòng),空氣在管外翅片間穿行,同時(shí)被加熱或冷卻。翅片采用整體式翅片形式,翅片片型有平板型、皺紋型(其中,波紋板應(yīng)用最多)及開縫型(如條縫型、百葉窗型等)。
不同翅片形式的冷卻器,其空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力特性均有所差異。大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在獲得好的熱交換特性的同時(shí),不可避免地造成了摩阻的增加。在給定的熱交換器尺寸和風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線下,壓力損失的提高必然造成空氣流速的降低,并進(jìn)而使空氣與翅片壁面之間的傳熱溫差降低。其次,空調(diào)工程中所使用的大部分冷卻器都是干、濕工況交替運(yùn)行的,而不同翅片冷卻器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比,有很大差異。因此,如何正確選用翅片形式,對熱交換器實(shí)際工作特性的影響不容忽視,最好的是在換熱與阻力損失之間找到一種折衷的方案。
2.干工況下各種翅片冷卻器的性能對比
2.1 換熱系數(shù)和壓降損失
Giovanni Lozza和Umberto Merlo[1]對翅距2mm,翅厚0.11mm,管間距25mm,排間距21.65mm的各種翅片進(jìn)行了對比試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)的迎面風(fēng)速為1m/s到3m/s.表征空氣側(cè)換熱強(qiáng)弱的Colburn j 因子和摩阻因子f 與Re數(shù)的關(guān)系!
弧形百葉窗翅片的最優(yōu),其次為矩形百葉窗型、皺紋板型、波紋板型。究其原因?yàn),光直翅片中,連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層妨礙了流體與翅片的換熱;波紋翅片破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層,所以換熱系數(shù)增大了;而開縫式翅片,不僅破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層,而且大大增加了流道中的紊流度,從而使換熱系數(shù)進(jìn)一步增大。方形百葉窗和弧形百葉窗均是在翅片上開翻邊槽,以此強(qiáng)化氣流擾動(dòng),增強(qiáng)換熱;⌒伟偃~窗型翅片的開槽是沿著銅管外壁進(jìn)行的,這樣的好處是氣流可以在百葉窗型翻邊的誘導(dǎo)下更大面積的沖刷到管后部,即減小銅管后部的尾流區(qū)域,強(qiáng)化換熱。
百葉窗型的翅片可極大地改善熱交換性能,特別是弧形百葉窗翅片可獲得非常高的換熱系數(shù),幾乎是波紋片的兩倍。但引起的阻力損失也較大;影響大小與條縫高度有關(guān)。比如X1(開縫寬度為1mm)型翅片冷卻器,其換熱特性與其他高度的相比并無明顯提高,但阻力特性增長卻比較明顯,因此,百葉窗條縫高度應(yīng)嚴(yán)格控制。
2.2 影響冷卻器性能的幾何因素
2.2.1 翅片間距
關(guān)于翅片間距對換熱性能的影響,Rich研究了管徑為13.34mm,管間距為27.5mm,排間距為31.75mm情況下的14種平板翅片盤管的情況。試驗(yàn)結(jié)果得到:4排管時(shí),換熱性能與翅片間距無關(guān);每排管的壓力降也與管排數(shù)無關(guān)。然而對1排或2排管,規(guī)律有所不同。ReDc>5000時(shí),渦流的影響占據(jù)了重要位置,翅片間距的影響可忽略。當(dāng)ReDc<5000時(shí),熱交換性能隨翅片間距的減小而增大。Wang等人的試驗(yàn)也證實(shí)了此觀點(diǎn),同時(shí)還證實(shí)了對多排百葉翅片和波紋翅片冷卻器具有相同規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):較高的空氣流速和較大的管排數(shù)都會(huì)導(dǎo)致渦流區(qū)域的產(chǎn)生,因此,翅片間距對換熱系數(shù)的影響均可忽略。
2.2.2 管排數(shù)
對于平板型翅片:在管排數(shù)較大、翅片間距較小,且雷諾數(shù)較低時(shí),管排數(shù)對換熱特性的影響才顯著起來。當(dāng)ReDc<3000時(shí),由于邊界層的影響,換熱因子將隨管排數(shù)的增加而減。还芘艛(shù)對摩擦阻力因子的影響相對較小。然而當(dāng)ReDc>3000時(shí),管排數(shù)對換熱的影響將減小.對于波紋形翅片:低雷諾數(shù)下,管排數(shù)對換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)沒有明顯的影響;而在高雷諾數(shù)下,換熱系數(shù)會(huì)隨著管排數(shù)的增加而增加。
對于開縫型翅片:低雷諾數(shù)下,管排數(shù)對換熱系數(shù)有顯著的影響,換熱因子會(huì)隨著管排數(shù)的增加而急劇降低;管排數(shù)對摩擦因子的影響相對較小。
2.2.3 管徑
對于平板型翅片,管徑越大的,造成管后的無效面積也越大。換熱系數(shù)隨著換熱管管徑的減小而稍有增大。比如,對于單排管和雙排管,Dc=8.51mm時(shí)的換熱系數(shù)比Dc=10.23mm的稍高;但Dc=10.23mm的壓降卻比Dc=8.51mm的要大10%-15%.對于其它的翅片類型(波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片),采用小管徑,同樣可以減小管排的拖曳作用,從而增大管外換熱系數(shù);并能夠減小壓降損失。如:對百葉窗翅片,當(dāng)迎面風(fēng)速Vfr<1.5m/s時(shí),采用小管徑的多排管結(jié)構(gòu)有利于提高冷卻器的換熱性能,并能夠減小10%的壓降損失。
3.濕工況下翅片冷卻器的性能變化對濕工況下空氣側(cè)傳熱系數(shù)的報(bào)道一直存在爭議。
例如,McQuiston(1978a)指出濕工況下空氣側(cè)換熱系數(shù)較干工況下略低,而Eckels和Rabas(1987)卻得到相反的結(jié)論。
K.Hong和R.L.Webb[6]指出,在2.5m/s的迎面風(fēng)速下,濕工況和干工況下的壓降比,百葉翅片的為2.4,而波紋翅片的僅為1.42.另據(jù)報(bào)道,根據(jù)翅片形式和濕負(fù)荷的不同,濕工況下的壓降為干工況下的1.5~2.0倍。然而,對不同的翅片形式,濕工況下的熱交換系數(shù)比干工況下低10~30%?傊P管表面的凝結(jié)液膜的產(chǎn)生將嚴(yán)重影響空氣的換熱特性和摩擦特性!2000年,Wang以兩種百葉窗形翅片在濕工況下的換熱性能為研究對象進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在濕工況的條件下,換熱特性對翅片間距和管排數(shù)的變化不太敏感,結(jié)果與干工況下的特性十分接近。然而與換熱特性不同的是,翅片間距的變化對摩擦特性有顯著的影響,對于翅距=1.2mm的冷卻器比翅距=2.5mm的冷卻器摩擦因子大30%~50%;另外,管排間距越大,越有利于凝結(jié)水的排放,從而使冷卻器的壓降損失降低。
4.冷卻器翅片表面性能的改進(jìn)鋁翅片冷卻器在使用中存在如下問題:
首先,鋁翅片工作在干濕交替的環(huán)境中,其表面會(huì)形成Al2O3.H2O氧化層粉末,帶來機(jī)器壽命減少和環(huán)境污染兩方面的問題;此外,濕工況作業(yè)時(shí),空氣中的水分冷凝,附著在翅片上形成“水橋”,導(dǎo)致風(fēng)阻增加,能耗加大。表面涂膜處理是解決問題的有效方法,空調(diào)熱交換器表面涂膜處理技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的新技術(shù),主要進(jìn)行耐蝕性涂膜處理和親水性涂膜處理。
進(jìn)行翅片表面涂膜處理后,空氣側(cè)的阻力特性會(huì)得到極大改觀。Mimaki(1987)對帶親水涂層的冷卻器進(jìn)行了研究,他發(fā)現(xiàn),采用親水涂層翅片后,濕工況下的壓降降低到原來的40~50%;且空氣側(cè)的熱傳遞系數(shù)增加了2~3個(gè)百分點(diǎn)。K.Hong和R.L.Webb[6]發(fā)現(xiàn),對波紋片、開縫片和百葉片三種翅片形式,在2.5m/s迎面風(fēng)速時(shí),帶親水涂覆層時(shí)的濕工況和干工況下的壓降比均為1.2.即對濕盤管,在百葉翅片和波紋翅片上采用親水涂覆層,當(dāng)迎面風(fēng)速為2.5m/s時(shí),可使?jié)窆r下壓降損失分別降低45%和15%。因此,涂覆層對百葉翅片的影響要比對波紋翅片的影響大。
5.結(jié)論
熱交換系數(shù)大的翅片能夠在相同容積和造價(jià)下提高熱交換器的熱交換能力,但是阻力的增加在固定的風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線下會(huì)降低空氣的流量?諝饬髁康慕档陀袃煞矫娴牡牟焕蛩兀旱谝唤档偷目諝饬魉贂(huì)降低熱交換系數(shù);第二在表冷器中空氣溫度的提高,使相同起始溫差下的LMTD降低。因此,設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解所選冷卻器的翅片形式,并根據(jù)使用場合不同區(qū)別對待。
(1)在干工況下,盡量采用換熱系數(shù)大的翅片形式,如開縫翅片,其中弧形百葉窗翅片形式換熱特性更為突出;但由于開縫翅片的阻力較大,因此,在需要相同換熱量時(shí),盡量選用迎風(fēng)面積較大的,而不是排數(shù)較大的,以充分利用增強(qiáng)型翅片的優(yōu)點(diǎn),而不增加它的風(fēng)機(jī)功率;
(2)在濕工況下,開縫翅片的阻力增加較多,系統(tǒng)風(fēng)量會(huì)減少,此時(shí),可考慮采用波紋形翅片冷卻器,且翅片間距不宜太小;
。3)當(dāng)翅片冷卻器需要在干、濕工況下交替運(yùn)行時(shí),可在翅片表面添加親水性鍍膜,它對換熱性能影響極小,但可極大地降低濕工況下空氣流動(dòng)阻力,對百葉翅片的效果更佳。在此情況下,可盡量采用百葉型翅片。
。4)盡量選用小管徑的翅片冷卻器,其換熱特性和阻力特性較大管徑的均有所改善。
。5)新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管冷卻器采用不同的翅片形式,如可用新風(fēng)負(fù)擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷,
冷卻器采用波紋片的;而風(fēng)機(jī)盤管采用開縫翅片,完全在干工況下工作。
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