CN102087079A - 放射式强化换热翅片 - Google Patents

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Abstract

放射式强化换热翅片，包括换热管以及套装在其上的平直基片，所述基片上开设有隆起的开缝桥片，所述开缝桥片通过两条垂直于所述基片的直立段与所述基片连接，其特征在于：所述开缝桥片沿单个换热管的管孔中心径向排列，呈放射状分布；两两相邻的换热管呈正三角形布置，所述开缝桥片沿气体流动方向在两相邻换热管之间呈S形均匀排列。本发明的有益效果：开缝桥片沿单个换热管孔的管孔中心径向排列，呈放射状分布，使气体流动方向与开缝长度方向垂直，在中断流动边界层的同时，减小开缝结构对流动的阻力作用。既能强化管外气体侧传热，同时使流动阻力增加不大，综合性能得到了提高；换热效率高，流动阻力小，结构紧凑。

Description

放射式强化换热翅片
技术领域
本发明涉及一种换热翅片，特别涉及一种应用于管外为气体介质，管内为液体介质的放射式强化换热翅片。
背景技术
在空气冷却器、制冷设备冷凝器和蒸发器等换热器中，液体介质在管内流动，气体介质在管外流动。研究表明，这种换热器管内热阻与管外热阻比一般为1∶3.5（文献1：朱冬生. 换热器技术及进展[M]. 北京：中国石化出版社, 2008。文献2：刘卫华，百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研究[J]，石油化工高等学校学报，1996，9（2）：49-53）。可见，提高气液两相换热器换热效率的有效途径是在热阻较大的管外侧设置翅片，一方面可扩展换热面积，同时促进流体扰动达到强化传热的目的。
目前翅片管换热器的管外翅片通常采用无缝翅片、百叶窗式翅片、平行开缝翅片等结构形式。对于无缝翅片，由于流体粘性会在翅片表面形成边界层，使传热系数减小。采用开缝翅片后，由于间断开缝翅片的扰动，每当流体经过一个开缝结构时，流动边界层的增厚被中断，边界层将重新生长，因此在流动方向上，流动边界层厚度不断增厚与破坏，使整个翅片表面的边界层变薄，翅片的传热能力得到强化。文献[3]（文献3：李慧珍, 屈治国和程永攀等. 开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟[J]. 西安交通大学学报. 2005, 39(3): 229-232）研究了开缝翅片、开窗翅片与无缝翅片传热性能，提出从强化传热角度开窗和开缝翅片的明显优于无缝翅片。
对于开缝翅片和百叶窗式翅片的传热性能和流动特性，前人已展开了很多实验和理论研究。专利200710042888.5提出 一种强化传热百叶窗翅片，在平直基片上设有翘起的若干组窗翅，窗翅与基片成一定的开窗角度，每组窗翅之间为换向区域，换向区域两侧的窗翅开窗方向相反。文献[4]200710042888.5提出 一种强化传热百叶窗翅片，在平直基片上设有翘起的若干组窗翅，窗翅与基片成一定的开窗角度，每组窗翅之间为换向区域，换向区域两侧的窗翅开窗方向相反。文献[4]（文献4：Wang C C, Lee W S & Sheu W J. A comparative study of compact enhanced fin-and-tube heat exchangers[J]. Heat Mass Transfer 2001, 44(18): 3565-3573）通过试验研究了百叶窗翅片几何形状和管排数以及翅片间距等参数对空气侧传热性能的影响。百叶窗翅片在提高换热性能的同时，往往伴随着更大的阻力增加，综合性能改善不明显。
专利03108079.0提出了一种平行开缝的强化换热翅片， 其中空气流动上下游采用的桥形条片数量不同，同时桥形条片在基片两侧交替开设。专利200810150782.1提出了一种阶梯碟形强化传热翅片，桥形狭缝条沿空气流动方向通过换热管的中心线呈碟形对称布置，且各排突出段的高度呈阶梯形布置。上述两种平行开缝强化换热翅片能强化翅片表面流体的扰动，但由于桥形开缝条片始终沿着一个方向，流体速度与开缝方向不能很好协同，以至在开缝附近产生了大量涡流，所以在强化传热同时，流动阻力也不断增大。 
发明内容
本发明要克服现有换热翅片存在的上述不足，提供了一种能强化管外气体侧传热，换热效率高，流动阻力小，综合性能好的放射式强化换热翅片。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
放射式强化换热翅片，包括换热管以及套装在其上的平直基片，所述基片上开设有隆起的开缝桥片，所述开缝桥片通过两条垂直于所述基片的直立段与所述基片连接，其特征在于：所述开缝桥片沿单个换热管的管孔中心径向排列，呈放射状分布；两两相邻的换热管呈正三角形布置，所述开缝桥片沿气体流动方向在两相邻换热管之间呈S形均匀排列。
进一步，所述开缝桥片开设在所述基片的同一侧，且所述开缝桥片的隆起高度为两相邻基片间距的一半。
进一步，所述开缝桥片开缝的方向随所述换热管圆周不断变化，且所述开缝桥片相对于横向和纵向的换热管的中心连线对称。
使用时，相邻的换热管呈正三角形布置，在换热管之间的平直基片上通过冲压加工出若干条隆起的开缝桥片，开缝桥片通过两条垂直于基片的直立段与基片连接，开缝桥片与基片之间形成气体流动的狭缝通道。通过对无缝翅片单元模型的计算流体力学数值模拟，得到无缝翅片单元模型的流体速度场分布如图4所示。由图4可见，流体流过正三角形布置的换热管之间通道时，出现绕流情况，即流线近似为换热管同心圆。因此，本发明采用沿换热管的管孔径向排列的开缝桥片，使气体流动方向与开缝长度方向垂直，这种结构既可以达到中断流动边界层目的，提高传热性能，又能使气体流动比较顺畅，减少阻力损失。
通过对无缝翅片、平行开缝翅片和放射式开缝翅片的换热性能和流动阻力特性进行了数值模拟研究，证明了不同的流速下平行开缝翅片和放射式开缝翅片均具有很好强化传热效果，且不同流速下放射式开缝翅片的流动阻力明显小于平行开缝翅片。可见本发明的放射式开缝翅片既可以提高换热性能，又能使流动阻力增加不大，因而综合性能较好。
本发明的有益效果在于：开缝桥片沿单个换热管孔的管孔中心径向排列，呈放射状分布，使气体流动方向与开缝长度方向垂直，在中断流动边界层的同时，减小开缝结构对流动的阻力作用。既能强化管外气体侧传热，同时使流动阻力增加不大，综合性能得到了提高；换热效率高，流动阻力小，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A向剖视图。
图3是图1的B-B向剖视图。
图4是无缝翅片单元模型的流体速度场分布图。
图5是无缝翅片、平行开缝翅片和放射式开缝翅片的换热性能比较图。
图6是无缝翅片、平行开缝翅片和放射式开缝翅片的阻力特性比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1-图3，本发明所述的放射式强化换热翅片，包括换热管4以及套装在其上的平直基片1，所述基片1上开设有隆起的开缝桥片3，所述开缝桥片3通过两条垂直于所述基片1的直立段2与所述基片1连接，所述开缝桥片3沿单个换热管4的管孔中心径向排列，呈放射状分布；两两相邻的换热管呈正三角形布置，所述开缝桥片3沿气体流动方向在两相邻换热管之间呈S形均匀排列。
所述开缝桥片3开设在所述基片1的同一侧，且所述开缝桥片3的隆起高度为两相邻基片1间距的一半。
所述开缝桥片3开缝的方向随所述换热管4圆周不断变化，且所述开缝桥片3相对于横向和纵向的换热管4的中心连线对称。
使用时，相邻的换热管4呈正三角形布置，在换热管4之间的平直基片1上通过冲压加工出若干条隆起的开缝桥片3，开缝桥片3与基片1之间形成气体流动的狭缝通道。通过对无缝翅片单元模型的计算流体力学数值模拟，得到无缝翅片单元模型的流体速度场分布如图4所示。由图4可见，流体流过正三角形布置的换热管4之间通道时，出现绕流情况，即流线近似为换热管4同心圆。因此，本发明采用沿换热管4的管孔径向排列的开缝桥片3，使气体流动方向与开缝长度方向垂直，这种结构既可以达到中断流动边界层目的，提高传热性能，又能使气体流动比较顺畅，减少阻力损失。
通过对无缝翅片、平行开缝翅片和放射式开缝翅片的换热性能和流动阻力特性进行了数值模拟研究，分别参照图5和图6所示，图中plate fin代表无缝翅片，slit fin代表平行开缝翅片，radial slit fin代表放射式开缝翅片。
图5中横坐标是Re，纵坐标是j因子，由图看出，不同的流速即不同的Re下，平行开缝翅片和放射式开缝翅片的j因子都比无缝翅片大，且两种开缝翅片的j因子值相差不大，说明了两者均具有很好强化传热效果。
图6中横坐标是Re，纵坐标是f因子，由图看出，不同流速下放射式开缝翅片的f因子值明显小于平行开缝翅片的，即放射式开缝翅片的流动阻力明显小于平行开缝翅片。
通过上述分析对比可以看出，本发明的放射式开缝翅片既可以提高换热性能，又能使流动阻力增加不大，因而综合性能较好。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.放射式强化换热翅片，包括换热管以及套装在其上的平直基片，所述基片上开设有隆起的开缝桥片，所述开缝桥片通过两条垂直于所述基片的直立段与所述基片连接，其特征在于：所述开缝桥片沿单个换热管的管孔中心径向排列，呈放射状分布；两两相邻的换热管呈正三角形布置，所述开缝桥片沿气体流动方向在两相邻换热管之间呈S形均匀排列。
2.根据权利要求1所述的放射式强化换热翅片，其特征在于：所述开缝桥片开设在所述基片的同一侧，且所述开缝桥片的隆起高度为两相邻基片间距的一半。
3.根据权利要求1所述的放射式强化换热翅片，其特征在于：所述开缝桥片开缝的方向随所述换热管圆周不断变化，且所述开缝桥片相对于横向和纵向的换热管的中心连线对称。
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