翅片的分類與特點(diǎn)

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1、 真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正。 翅片分類及其特點(diǎn)簡(jiǎn)介 14121330 彭啟 0.引言 翅片是基本的傳熱元件，其作用是擴(kuò)大換熱面積，提高熱傳遞的效率。翅片可以看成是隔板的延伸和擴(kuò)展；其次，翅片的不同形式使空氣在流道內(nèi)形成了強(qiáng)烈的擾流，并使流動(dòng)邊界層和熱邊界層斷裂、重組，從而強(qiáng)化換熱；最后，翅片還可以提高散熱器整體強(qiáng)度，有效擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。常用的翅片結(jié)構(gòu)形式有平直翅片、百葉窗翅片、鋸齒翅片、多孔翅片和波紋翅片[1]。 圖1 典型翅片結(jié)構(gòu)形式 許多學(xué)者對(duì)翅片作了深入廣泛的研究，本文利用翅片應(yīng)用的環(huán)境，按照管內(nèi)與管外；液體之間換熱、液體與氣體之間換熱、氣體與氣體之

2、間換熱等方面對(duì)翅片進(jìn)行分類，并詳細(xì)闡述各種翅片的特點(diǎn)。 1.管內(nèi)與管外翅片的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 在換熱器及許多換熱設(shè)備中，傳熱壁面兩側(cè)流體的對(duì)流換熱系數(shù)的大小往往很不均衡，因此需要在傳熱壁面對(duì)流換熱系數(shù)小的那一側(cè)加裝翅片。 翅片管換熱器所用翅片管有內(nèi)翅片管和外翅片管兩種，其中以外翅片管應(yīng)用較為普遍。外翅片管一般是用機(jī)械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。翅片管的型式有螺旋翅片管、套裝翅片管、滾軋式翅片管、板翅式翅片管[2]。 其中螺旋形翅片管廣泛應(yīng)用于管內(nèi)為液體或氣液兩相工質(zhì)而管外為氣體的場(chǎng)合，具有強(qiáng)化管外氣流擾動(dòng)、擴(kuò)大換熱面積的作用，從而增強(qiáng)傳熱，節(jié)約能源。同時(shí)

3、由于其結(jié)構(gòu)緊湊，使金屬耗量減少，因此在電場(chǎng)鍋爐中采用螺旋管束翅片管省煤器可大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi) 1 / 6 用，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的推廣應(yīng)用[3]。 為改進(jìn)螺旋形翅片管易積灰且不易清理的缺點(diǎn)，近年來提出了H型鰭片管。H型鰭片管，亦稱H型肋片管，是把兩片中間有圓弧的鋼片對(duì)稱地與光管焊接在一起形成鰭片(肋片或蝶片)，正面形狀頗像字母“H”。由于其鰭片表面特殊的溝槽結(jié)構(gòu)，去除了部分在鰭片表面進(jìn)口和尾部分離區(qū)中的換熱面積，降低了進(jìn)口和尾部分離區(qū)傳熱惡化對(duì)整個(gè)鰭片傳熱的影響，從而提高了鰭片的平均對(duì)流換熱系數(shù)和鰭片效率，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，并避免了螺旋鰭片管束常見的因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的鰭片燒毀問題[4]

4、。 對(duì)于波紋內(nèi)翅片管中對(duì)流換熱與阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，翅片管的綜合性能一般都強(qiáng)于光管，不同的管徑及其翅片形式對(duì)換熱強(qiáng)化影響很大，因此應(yīng)根據(jù)管徑大小合理選擇翅片管結(jié)構(gòu)[5]。 2.液體之間換熱翅片的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 當(dāng)管內(nèi)管外都是液體的受迫對(duì)流時(shí)，如果換熱壁面兩側(cè)的換熱系數(shù)都很大，則沒有必要采用翅片管。如水/水換熱器，用熱水加熱冷水時(shí)，兩側(cè)換熱系數(shù)都足夠高，沒有必要采用翅片管，但為了進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱，可采用螺紋管或波紋管代替光管；發(fā)電廠冷凝器，管外是水蒸汽的凝結(jié)，管內(nèi)工質(zhì)是水，兩側(cè)的換熱系數(shù)都很高，一般情況下，無需采用翅片管。 3.液體與氣體之間換熱翅片的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 當(dāng)管外是氣體的受

5、迫對(duì)流，管內(nèi)是液體工質(zhì)的受迫對(duì)流時(shí)，管外的換熱系數(shù)就較管內(nèi)的小得多。因此，管外的傳熱熱阻便成為影響其總傳熱量的主要熱阻(亦稱控制熱阻)。在這種情況下，管外空間傳熱的增強(qiáng)通常采用擴(kuò)展表面即肋化表面來實(shí)現(xiàn)。研究證明，當(dāng)2λ/aδ<1時(shí)，將傳熱面設(shè)計(jì)成肋化表面是無效的；當(dāng)2λ/aδ>5時(shí)，將傳熱面設(shè)計(jì)成肋化表面可以起到強(qiáng)化傳熱的效果。 而當(dāng)管內(nèi)是氣體的受迫對(duì)流，管外是液體工質(zhì)的受迫對(duì)流時(shí)，管內(nèi)的換熱系數(shù)就較管外小得多。因此，管內(nèi)的傳熱熱阻便成為影響其總傳熱量的主要熱阻。在這種情況下，就需要在管內(nèi)增加擴(kuò)展表面即肋化或者加裝擾流件使湍流強(qiáng)度增加從而使氣體側(cè)的傳熱性能增強(qiáng)。 肋化表面不僅能

6、起到增加參與對(duì)流換熱的總有效面積、減小該側(cè)傳熱熱阻的作用，而且可使肋側(cè)的壁面溫度更加接近于同側(cè)流體的溫度。采用擴(kuò)展受熱面是強(qiáng)化傳熱的一種有效途徑，擴(kuò)展表面的應(yīng)用是縮小換熱器體積、減輕換熱器重量、提高換熱器效率的重要措施。正因如此，擴(kuò)展傳熱面的研究和設(shè)計(jì)日益得到廣泛得工業(yè)應(yīng)用。 采用管內(nèi)、管外擴(kuò)展表面的對(duì)流受熱面可以增加傳熱量，節(jié)省金屬消耗，并使通風(fēng)阻力和工質(zhì)流動(dòng)阻力有所降低，己經(jīng)成為鍋爐及換熱器對(duì)流受熱面的發(fā)展方向，得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)展表面的型式多種多樣，在對(duì)流受熱面中經(jīng)常采用的有圓形、方形和螺旋形翅片管，帶縱向肋片的鰭片管，以及用縱向肋片管組成的膜式對(duì)流受熱面等。由于各種擴(kuò)展表

7、面所增加的受熱面積不同，其對(duì)流體的擾動(dòng)程度也不同，因此它們對(duì)傳熱強(qiáng)化的效果也不相同。 人們?cè)谶M(jìn)行強(qiáng)化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強(qiáng)化換熱的方法，主要有以下幾種：一是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型。二是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等[6]。 由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡(jiǎn)單方便、運(yùn)用上的耐久性及

8、其較好的適用性，到目前為止，制冷工程中大量使用的換熱器（如氨冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器，表面式空氣冷卻器等）仍廣泛采用矩形平肋片作為擴(kuò)展表面。矩形平肋片具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、利于除霜、容易制造等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其僅僅依賴于增大傳熱面積來強(qiáng)化傳熱導(dǎo)致傳熱效果較差，特別是在管內(nèi)流體相變換熱，管外空氣受迫流動(dòng)換熱的熱交換器中，空氣側(cè)盡管加了肋片，其熱阻仍然是整個(gè)傳熱過程中的主要熱阻[7]。 由于波紋形翅片可以加大空氣流道的長(zhǎng)度，并且能夠?qū)饬髟斐沙浞值幕旌希砸脖豢照{(diào)制冷廣泛采用。波紋翅片可以改變氣流的來流方向，大大增加了空氣換熱面積，增強(qiáng)了流體擾動(dòng)，由于漩渦的形成與分離，減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)展，使其換熱

9、特性得到有效強(qiáng)化，同時(shí)也帶來了較大的阻力損失，但是換熱增加的幅度要大于阻力增加的幅度。在濕工況下，條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換熱器，且翅片間距不宜太小[8]。 條縫形翅片具有高效的換熱性能，流體通過條縫形翅片時(shí)，渦旋首先在下游出現(xiàn)，隨著雷諾數(shù)的增加，渦旋出現(xiàn)點(diǎn)向上游前移。當(dāng)翅片間距減小時(shí)，在較小的雷諾數(shù)下，渦旋就開始出現(xiàn)。這一現(xiàn)象說明，在小的翅片間距下，由于渦旋的產(chǎn)生，換熱系數(shù)被增強(qiáng)。對(duì)于連續(xù)型波紋翅片, 開縫有利于消除橫向渦, 并使流體混合得更加充分，從而提高翅片的流動(dòng)和換熱性能；在開縫翅片的拐角和縫隙處，局部換熱系數(shù)變化劇烈；換熱系數(shù)的極大值出現(xiàn)在

10、拐角上游或者翅片的前緣，而極小值則出現(xiàn)在拐角下游或者翅片的后緣[9]。在干工況下，盡量采用換熱系數(shù)大的翅片形式，如條縫翅片，但由于條縫翅片的阻力較大，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。 百葉窗形翅片是一種換熱系數(shù)較大的翅片形式，當(dāng)翅片換熱器需要在干、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(duì)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(duì)百葉翅片的效果更佳。在此情況下，可盡量采用百葉窗形翅片。 4.氣體之間換熱翅片的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 當(dāng)管內(nèi)管外都是氣體的受迫對(duì)流時(shí)，如果管子兩側(cè)的換

11、熱系數(shù)都很小，為了強(qiáng)化傳熱，應(yīng)在兩側(cè)同時(shí)加裝翅片。若結(jié)構(gòu)上有困難，則兩側(cè)可都不加翅片。在這種情況下，若只在一邊加翅片，對(duì)傳熱量的增加沒有明顯的效果。 例如傳統(tǒng)的管式空氣預(yù)熱器，管內(nèi)是空氣的受迫對(duì)流，管外是煙氣的受迫對(duì)流。屬于氣體之間的對(duì)流換熱，兩側(cè)的換熱系數(shù)都很低，管內(nèi)加翅片又很困難，可以使用光管；熱管式空氣預(yù)熱器中，雖然仍是煙氣加熱空氣，但因煙氣和空氣都是在管外流動(dòng)，故煙氣側(cè)和空氣側(cè)都可方便地采用翅片管，使傳熱量大大增加。 5.翅片的影響參數(shù) 翅片高度：增加翅片高度，將增加外表面積，但該參數(shù)受到了以下因素的限制。翅片高度影響質(zhì)量流量這一基本參數(shù)，該參數(shù)影響傳熱和壓力降；整體型翅片的制造

12、限制要比對(duì)鋸齒型翅片管的限制得多；翅片效率下降，同樣，整體型翅片要比鋸齒型翅片下降嚴(yán)重；對(duì)于翅片高度小于12 mm 的翅片，推薦使用整體型螺旋翅片。如保持其它參數(shù)不變，僅增加翅片高度，則換熱器成本首先下降，然后不變，最后又開始增加，這是由于換熱面積的增加量被較大的管間距效應(yīng)、較低的氣體流速、較低的翅片效率和較低的流體滲透率所抵消的緣故。 翅片厚度：較小的翅片厚度可以帶來較高的翅片密度，但是同時(shí)也降低了翅片效率，降低了結(jié)構(gòu)剛度。最小翅片厚度通常為0.9 mm，如用以處理腐蝕性/潤(rùn)滑流體或高溫流體時(shí)，需使用厚度更大的翅片，厚度可達(dá)4.2 mm，而對(duì)于小直徑情形，將受到一些限制。最常用的翅片厚度為

13、1.2 mm[10]。 翅片密度(間隔)：為了獲得單位管長(zhǎng)的最大外表面積，需使用最高的允許翅片密度，但是過高翅片密度帶來壓降過大，氣體不完全滲透，污垢加重等問題。 參考文獻(xiàn) [1] 徐振元. 工程車輛波紋翅片散熱器特性分析與應(yīng)用研究 [D].吉林大學(xué),2012. [2] 蔣翔, 李曉欣, 朱冬生. 幾種翅片管換熱器的應(yīng)用研究[J]. 化工進(jìn)展, 2003, 22(2): 183-186. [3] 陳亞平, 徐禮華. 鍋爐省煤器采用翅片管代替光管的改造方案探討[J]. 鍋爐技術(shù), 1997 (8): 25-27. [4] 楊大哲. H 型鰭片管傳熱與流動(dòng)特性試驗(yàn)研究[D

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