翅片管式換熱器強化換熱的思路及方法

翅片管式換熱器的換熱強化主要分為兩個方面：管內(nèi)換熱的強化和管外翅片的換熱強化。換熱管近年來已經(jīng)普遍使用了內(nèi)螺紋銅管來代替光管，管內(nèi)換熱的強化主要是通過對分路方法的調(diào)整來改變換熱管內(nèi)制冷劑的流速來提高管內(nèi)換熱系數(shù)，減少管內(nèi)阻力來實現(xiàn)。相對來說，管外翅片換熱的強化受到了各方面的重點關(guān)注，因為根據(jù)“短板效應(yīng)”的原理，只有強化“短板”，才能最有效地提高整體的能力。下面分別就管內(nèi)及管外的換熱強來討論翅片管式換熱器的換熱強化問題。

１,翅片管式換熱器管內(nèi)強化換熱的思路文獻

［１］通過六種不同分路的蒸發(fā)器的計算模擬及實驗數(shù)據(jù)，得出了換熱管相對管長與制冷系數(shù)分布、熱阻和壓力梯度之間的關(guān)系，如圖７所示。文獻［１］的核心思想就是認為，衡量翅片管式換熱器性能最主要的指標就是傳熱系數(shù)及制冷劑側(cè)的壓降。

文獻［１］通過理論分析及實驗得出結(jié)論：在蒸發(fā)器中制冷劑兩相區(qū)，干度低則制冷劑側(cè)壓降及傳熱系數(shù)也較低，而干度升高時制冷劑側(cè)壓降及傳熱系數(shù)也升高，根據(jù)這一原理文獻［１］設(shè)計的分路原則是剛剛節(jié)流后的制冷劑以較少分路進入蒸發(fā)器，因為此時壓降較小可以通過提高管內(nèi)流速的方法來提高換熱系數(shù)，當(dāng)制冷劑干度增大時，可以再增加分路數(shù)，以減小管內(nèi)阻力損失。

文獻［１］設(shè)計的換熱器分路Ｄ取得了最好的換熱效果，即達到同樣的換熱量，分路Ｄ可以減少換熱面積約５％。理論上來說，冷凝器則剛好與蒸發(fā)器相反，剛開始干度較大，可以采用較多分路，到冷凝器后部則幾乎全部為制冷劑液體，管內(nèi)阻力則會明顯減小，所以通過增加制冷劑流速的方法而提高換熱效果應(yīng)該是可行了。所以在換熱器后部設(shè)置過冷管對提高整體換熱效果是有利的。制冷技術(shù)研究院在不久前發(fā)布研究成果時曾提到為了提高換熱效果他們采取一種所謂的“組合管”方法，即（對兩排蒸發(fā)器）在背風(fēng)面采用內(nèi)螺紋管，而在迎風(fēng)面采用光管，根據(jù)實驗結(jié)果，換熱效果得到了明顯的提高?！敖M合管”方法的原理依然是通過管內(nèi)制冷劑流速的方法來提高換熱效果的，當(dāng)然還有提高背風(fēng)側(cè)換熱效果的原因，接下來我們將進行詳細探討。

２,翅片管式換熱器管外強化換熱的思路

如前所述，根據(jù)“短板效應(yīng)”的原理，只有我們重點強化“短板”，才能最有效地提高整體的能力，而管外翅片換熱效率恰恰是翅片管整體換熱系數(shù)的“短板”所在，所以管外翅片換熱的強化受到了國內(nèi)外方界的重點關(guān)注，也發(fā)表了大量關(guān)于管外換熱研究的理論及實驗文章［７，８，９，１０］。而對于多排換熱器來說，每排的換熱器也是不同的，所以對于管外翅片換熱來說，背風(fēng)側(cè)換熱效果較差的部分才是真正的“短板中的短板”。

根據(jù)文獻［１１］介紹：對于雙排冷凝器，當(dāng)兩排的銅管、翅片完全相同時，迎風(fēng)側(cè)的換熱量約占總換熱量的７０％，背風(fēng)側(cè)換換熱量只占３０％左右。而文獻［１２］更是通過ＣＦＤ軟件模擬出了換熱器表面的換熱系數(shù)分布，定量地給出了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的換熱量。

文獻［１２］以雙排冷凝器為例（片距１．７ｍｍ），當(dāng)迎面風(fēng)速為０．５ｍ／ｓ時迎風(fēng)側(cè)換熱量占總換熱量的９６．３％，風(fēng)速３．０ｍ／ｓ時迎風(fēng)側(cè)的換熱量，占總換熱量的６９．２％。所以說如何強化背風(fēng)側(cè)換熱效果才是強化換熱效果的重中之重。以下是我部門某機型的換熱器（蒸發(fā)器）分路圖（見圖８）及實驗數(shù)據(jù)（見表３），從中我們可以非常清楚地看出多排換熱器管排數(shù)對換熱效果的影響，因為該蒸發(fā)器較低，我們可以假定迎面風(fēng)速是均勻分布的，因此影響各分路換熱效果的就只有管排數(shù)的影響了（各分路的流程長度是相等的）。第一路在第三排為兩個Ｕ，第二排及第一排均為一個Ｕ；第二路則是第三排及第一排均為一個Ｕ，而在第二排有兩個Ｕ，第三路則第三排和第二排均為一個Ｕ，第一排為兩個Ｕ，所以在各路進口溫度基本相同的情況下，出口溫度卻相差極大，我認為這就是管排數(shù)對換熱效果影響的典型表現(xiàn)。文獻［１１］提出了一種我稱之謂“組合片型”的思路，對五種冷凝器迎面?zhèn)燃氨筹L(fēng)側(cè)的換熱管及片型進行組合，實驗用的冷凝器形式（見表４）及冷凝器流路如圖９所示。文獻［１１］通過實驗發(fā)現(xiàn)，冷凝器５即換熱管采用內(nèi)螺紋管，迎風(fēng)的換熱效果。

文獻［１１］解釋其原因為：“迎風(fēng)側(cè)使用平片，使空氣溫度升高，但小于使用沖縫片時的溫度升高幅度，即在迎風(fēng)側(cè)的換熱量小一求全責(zé)備沖縫片迎風(fēng)側(cè)的換熱量，但這樣空氣在背風(fēng)側(cè)的換熱溫差大于全沖縫片冷凝器背風(fēng)側(cè)的換熱溫差，所以提高了背風(fēng)側(cè)換熱量在總換熱量中所占的比例，總體的效果是迎風(fēng)側(cè)平片的換熱效果優(yōu)于全沖縫片冷凝器的換熱效果?！奔次墨I［１１］是通過減小迎風(fēng)側(cè)換熱量，提高背風(fēng)側(cè)換熱量，但背風(fēng)側(cè)換熱量的提高幅度要大于迎風(fēng)側(cè)換熱量的減小幅度來提高換熱器的總體換熱效果的。文獻［１２］在使用ＣＦＤ軟件對冷凝器中的流動與傳熱過程進行了數(shù)學(xué)模擬之后，針對迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)換熱不均勻現(xiàn)象，

提出了幾種解決方法：一是提高背風(fēng)側(cè)的管壁和翅片溫度，以提高傳熱溫差，二是提高風(fēng)速或增大風(fēng)量，以提高背風(fēng)側(cè)的換熱量，三是在現(xiàn)有的風(fēng)量不變的前提下，降低迎風(fēng)側(cè)的出風(fēng)溫度，以提高背風(fēng)側(cè)的傳熱溫差。文獻［１２］還提到利用方法三的思想設(shè)計的翅片管式換熱器已申請了國家專利，側(cè)采用平片，背風(fēng)側(cè)采用開窗片具有最好.