摘要:分析了翅片管换热器传热及流动阻力性能的影响因素;叙述了场协同理论的基本机理,并与等流速排列 方式联系起来加以分析讨论;概述了翅片管换热器研究中管间距对传热及流动阻力影响的国内外研究现状;讨论 了不同翅片及基管类型结构尺寸下管间距对换热器传热及流动阻力影响的规律。在此基础上,对管束排列的研究 前景进行了展望。
1 前言
翅片管式换热器广泛应用于制冷、空调、石 油、化工等工业领域。多年以来,对翅片管换热器 热力性能的研究主要集中在强化传热方面,强调 采用各种措施来较大限度地增强换热能力,但是 却忽略了在增强换热能力的同时有用功耗增大幅 度可能会更大的不足。
1998年,清华大学过增元院士及其合作者[1] 利用能量方程在热边界层内积分对边界层的流动 特性进行了研究,发现减小速度矢量与温度梯度 之间的夹角是强化对流换热的有效措施。同时他 们又结合影响翅片管热力性能的主要结构参数: 翅片类型、翅片间距、管排数、管径和管间距等,认 为管间距是影响速度矢量和温度梯度之间夹角的 重要因素。许文[2]一书也叙述了管间距与换热器 整体性能之间的关系,并且陈述了一种等流速排列 的概念,即通过调整管间距来使管间流通截面积相 等,认为等流速排列避免了流体周期性的加速和减 速,因而可以减少能量损失,实现节能。由此看来 管间距对翅片管换热器的性能影响是比较大的,因 此对其研究有着重要意义。为了寻找经济有效的 管束排列方式,也为了便于以后在新理论指导下进 行更为深入的研究,本文针对管间距对翅片管换热器性能影响的国内外研究进展做了分析和概述。
2 管间距对翅片管换热器性能影响
国内研究成果的分析
1985年,马义伟和杨泽茂[3]对翅片管式空冷 器的几个设计参数进行了优化,认为随着Pt和相 邻管排对角线上管间距的增大,换热系数是降低 的。由于他们只把当时的动力费用作为目标函数 对管束进行了优化,而且主要考虑如何优化各类 参数以增强传热性能,并没有充分考虑换热增强 的同时阻力损失可能也会明显的增大这种情况, 所以其研究具有一定的局限性。
1991年,高青等[4]研究了结构如图1所示翅 片叉排管束的传热和阻力特性,将较大Pt的翅片 管束与光管管束对比,发现换热系数增加了9~ 12. 5%,阻力系数降低了15~65%,同时又指出 Pt较大时流动阻力较低。通常,在管间距相同的 情况下,翅片管束换热强于光管,但流动阻力却高 于光管,所以作者把Pt增大,使得在较大管间距 翅片管束在换热得到强化的同时也减小了流动阻 力。可见管间距的合理排布可以使得换热小幅减 小的同时阻力大幅减低。
1997年,伍成波[5]对高温换热器的烟气侧传 热特性分析研究中指出,管间距对烟气侧传热及 阻力有较大影响,同时得出换热器中合理的管间 距为:Pt/do≥2.0,Pl/do≥1.5。在Pt/do=2.0, Pl/do=1. 5时,管束为非传统的正三角形排列,这 种排列方式接近与前言中叙述的等流速排列方 式,即通过调整管间距来改变管间截面积,使得气 流流过管中心连线的截面时,速度近似相等,这样 就避免了因气流的加速和减速而造成流动过程中 的阻力损失增大的状况。
2002年,卢智利等[6]研究了3种管子、4种管 排、10种管间距的叉排平直翅片管换热器的换热 特性,得到表1所示的换热综合关联式,从表中的 关联式中也可以看到,Pt对传热的影响大于