CN2624158Y - 强化换热翅片 - Google Patents

Abstract

一种强化换热翅片，该翅片用于制冷和空调设备的蒸发器和冷凝器，以及空气压缩机的中间冷却器中。本实用新型包括基片和开设在基片上的突起的桥形条片，突起的桥形条片由与基片相连接的腿和矩形顶组成，以基片流动方向的中心为界，空气流动上游各桥形条片的间距大于空气流动下游各桥形条片的间距。当流体流过的时候，在桥形条片的位置，流体在翅片表面的边界层会被破坏掉，并且流体的扰动也会增加，使流体速度与温度梯度的协同程度改善，所以增强了换热，同时由于桥形条片的位置选择恰当，流体阻力增加不多，因而大大提高了翅片管换热器的传热性能，从而减小换热设备的体积，降低了产品成本。

Description

强化换热翅片

一、技术领域

本实用新型涉及一种换热翅片，特别涉及一种应用于制冷和空调设备的蒸发器和冷凝器以及空气压缩机中冷器中的换热翅片。

二、背景技术

在制冷和空调中使用的蒸发器和冷凝器以及空气压缩机的中冷器中，制冷剂或冷却介质在管内流动，空气在管外流动，由于传热过程中的大部分热阻都集中在空气侧，所以为了增强换热，就在空气侧安装翅片，以增大换热面积，减小空气侧的热阻。但是目前使用的平直翅片管中，由于沿着空气流动的方向，空气在翅片表面形成的边界层会逐渐增厚，使速度和温度梯度的协同性变差，从而会使传热性能下降。为了进一步提高翅片管换热器的传热性能，采用了强化换热性能更好的翅片，开缝翅片是其中一种比较有效的强化换热方式。至今有许多文献和专利对开缝翅片进行了研究。专利96113217.5在翅片表面设置了6排条片，各个条片彼此平行但是条片的形状比较复杂，包括三种形状，分别为矩形，平行四边形和梯形，专利96113216.7中还使用了梯形的百叶窗式条片，并对梯形条片长边和短边的布置方向进行了要求。专利97117302.8在翅片表面提供了四种不同形式的切口方式，上述几种方法尽管可以提高翅片的换热性能，但是加工比较困难，而且流体流动阻力增加也十分明显。由于平直开缝翅片加工比较简单，所以得到广泛的应用。美国专利732903和文献[1][文献1：Wang C C，Tao W H，Chang C J.Aninvestigation of the airside performance of the slit fin-and-tube heatexchangers.Int J ofRefrigeration，1999，22：595-603.]给出了空调上使用的一种开缝翅片形式，但是这些翅片都是单向开缝，且将一定数目的缝组合在一起，布置在相邻的管子之间的翅片上，沿着流体流动方向上也是均匀布置的。文献[2][文献2：Du Y J，Wang C C.An experimental study of theairside performance of the superslit fin-and-tube heat exchangers.Int J Heatand Mass Transfer，2000，43：4475-4482，.]和文献[3][文献3：Yun J Y，Lee K S.Influence of design parameters on the heat transfer and flow frictioncharacteristics of the heat exchanger with slit fins.Int J Heat and MassTransfer，2000，43：2529-2539.]提出了一些双向开缝的翅片，但是也是均匀布置的。文献[4][文献4：Kang H C，Kim M H.Effect of strip location on theair-side pressure drop and heat transfer in strip fin-and-tube heat exchanger.Int J Refrigeration，1998，22：302-312.]则研究了两种不均匀开缝翅片，一种是开缝全集中在翅片的前半部分，一种是开缝全集中在翅片的后半部分，这样使得翅片的有些部分没有得到强化。上述的开缝翅片，在强化换热的时候，往往伴随着更大的阻力的增加，使运行成本增加。场协同原理及在该原理的指导下利用数值计算方法进行强化表面的开发见文献[5-10][文献5：Guo Z Y，Li D Y，Wang B X.A novel concept for convectiveheat transfer enhancement.Int J Heat Transfer，1998，41：2221-2225]，[文献6：Wang S，Li Z X，Guo Z Y.Novel concept and device of heat transferaugmentation.In：Proceedings of 11^# International Conference of HeatTransfer，1998.Philadelphia.Taylor & Francis，5：405-408.]，[文献7：Tao WQ，Guo Z Y，Wang B X.Field synergy principle for enhancing convective heattransfer-its extension and numerical verification.Int J Heat and Mass Transfer.2002，45(18)：3849-3856.]，[文献8：Tao WQ，He YL，Wang QW，et al.Aunified analysis on enhancing single phase convective heat transfer with fieldsynergy principle.Int J Heat and Mass Transfer.2002，45(24)：3871-4879.]，[文献9：陶文铨，何雅玲.场协同原理在强化对流换热与脉管性能改进中的应用(上)，西安交通大学学报，2002，36(11)：1101-1105]，[文献10：何雅玲，陶文铨..场协同原理在强化对流换热与脉管性能改进中的应用(下)，西安交通大学学报，2002，36(11)：1106-1110]。开缝如果比较少，它对流体的扰动和对空气的流动边界层的破坏就会比较小，场协同性改善不够，不能有效地增强换热。但是如果开缝比较多，在空气的流通通道中，缝腿和条片比较多，阻碍了空气的流动，使整个换热器的阻力增加比较多，也不能满足要求。

三、发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够增加空气翅片管换热器的传热、减小阻力，减小制冷和空调设备的蒸发器，冷凝器及中冷器的体积的强化换热翅片。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括基片和开设在基片上的突起的桥形条片，突起的桥形条片由与基片相连接的腿和矩形顶组成，其特点是以基片流动方向的中心为界，空气流动上游各桥形条片的间距大于空气流动下游各桥形条片的间距，即空气流动上游的桥形条片的总数小于空气流动下游桥形条片的总数。

本实用新型的另一特点是：桥形条片的高度为套装在换热管的翅片间距的一半；桥形条片在基片上上下交替开设；沿空气流动方向通过换热管的中心线的桥形条片相互对称。

本实用新型以基片流动方向的中心为界，空气流动上游的桥形条片的间距大于空气流动下游的桥形条片的间距，由于基片空气流动上游处在入口段，换热能力本身就比较强，所以桥形条片之间的间距比较大，在翅片的空气流动下游，由于换热能力比较弱，所以桥形条片之间的间距比较小，使空气的边界层得到有效的破坏，增强了换热，采用本实用新型既能有效地增强换热，又使整个翅片的阻力不至于增加太多。

四、附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是本实用新型与平片的换热性能比较图；

图5是本实用新型与平片的阻力性能比较图；

图6是在消耗相同的泵功下本实用新型与平片换热能力的比较图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1，2，3，本实用新型包括基片1和在基片1上上下交替开设的突起的桥形条片2，突起的桥形条片2由与基片1相连接的腿3和矩形顶4组成，以基片1流动方向的中心为界，空气流动上游的桥形条片2的间距大于空气流动下游的桥形条片2的间距，也就是空气流动上游的桥形条片2的总数应小于空气流动下游桥形条片2的总数，沿空气流动方向通过换热管5的中心线的桥形条片2相互对称，桥形条片2的高度为套装在换热管5的换热翅片间距的一半。

本实用新型在强化传热的场协同理论的指导下对于翅片表面的开缝进行了优化，使之和以往的翅片相比，在相同的换热能力下，阻力比较小，或者在消耗相同的泵功的情况下，换热能力比较大，即换热增加的比例要大于阻力增加的比例。

发明人对平翅片的流动和传热进行数值模拟的结果表明：在翅片空气流动上游，速度场和温度场的协同性比较好，速度和温度梯度的夹角比较小，而在翅片空气流动下游，速度场和温度场的协同性比较差，即二者的夹角比较大。在此基础上，对平片开缝后进行计算，发现开缝的存在可以明显改变速度场和温度场的协同情况，减小了开缝附近区域的夹角，增强了换热。在综合考虑换热和阻力的情况下，本实用新型利用场协同原理对于开缝的布置进行了优化，优化结果表明，为了有效地提高翅片的传热性能，应该在翅片空气流动下游，即在速度场和温度场协同情况比较差的地方开较多的缝，这就是本实用新型在翅片表面采用前疏后密的开缝方式的原因。

通过数值计算所得到的结论，与传统的强化传热理论是完全一致的。在翅片表面采用了前疏后密的开缝方式，翅片空气流动上游处在入口段，换热本身就比较强，所以开缝之间的间距比较大。在翅片空气流动下游，由于换热能力比较弱，所以开缝之间的间距比较小，使空气的边界层得到有效地破坏，增强了换热。采用本实用新型既能有效地增强换热，又使整个翅片的阻力不至于增加太多。

本实用新型和平片相比，这种开缝翅片换热增加的比例要高于阻力增加的比例，综合性能高于其它的强化翅片表面，且整个换热器的体积可以缩小1/3左右，在不增加运行成本的情况下，节省了投资。

图4是本实用新型和平片的换热性能的比较图，横坐标是Re数，纵坐标是j因子数。由此可以看出，在不同的速度，即不同的Re数下，本实用新型的换热能力高出平片60％～100％。

图5是本实用新型和平片的阻力性能的比较图，横坐标是Re数，纵坐标是阻力系数f。由此可以看出，在不同的速度，即不同的Re数下，本实用新型的阻力比平片高出40％左右。

图6是在消耗不同的泵功下本实用新型和平片换热能力的比较图，横坐标fRe³代表了所消耗的泵功，是NU数，纵坐标是Nu数。在所考察的范围内，在相同泵功下，本实用新型的换热能力高出平片55％～80％，证明了此种开缝翅片性能的优越。

通过以上的分析可知：本实用新型换热增加的比例大大高于阻力增加的比例，使用本实用新型的换热器可以节省1/3的材料。

Claims (4)

1、一种强化换热翅片，包括基片[1]和开设在基片[1]上的突起的桥形条片[2]，突起的桥形条片[2]由与基片[1]相连接的腿[3]和矩形顶[4]组成，其特征在于：以基片[1]流动方向的中心为界，空气流动上游各桥形条片[2]的间距大于空气流动下游各桥形条片[2]的间距，即空气流动上游的桥形条片[2]的总数小于空气流动下游桥形条片[2]的总数。

2、根据权利要求1所述的强化换热翅片，其特征在于：所说的桥形条片[2]的高度为套装在换热管[5]的翅片间距的一半。

3、根据权利要求1所述的强化换热翅片，其特征在于：所说的桥形条片[2]在基片[1]上上下交替开设。

4、根据权利要求1所述的强化换热翅片，其特征在于：所说的沿空气流动方向通过换热管[5]的中心线的桥形条片[2]相互对称。

Images