CN109163596A - 一种新型扰流翅片 - Google Patents

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项祥勇
何春玲
张丽芳
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Abstract

本发明涉及一种新型扰流翅片，具有翅片本体，翅片本体上成排均匀设置有若干冷凝管管孔，每个冷凝管管孔周围均布有环形破口，同一排的相邻两个冷凝管管孔之间还冲制有矩形破口，在每个矩形破口的两侧对称位置处还各冲制有一个梯形破口；本发明产品单位体积内换热效率得到提高，从而降低了产品的成本，提高了公司产品在市场中的竞争力，在满足客户要求的同时，有效减小了产品的安装及运输空间。

Description

一种新型扰流翅片
技术领域
本发明涉及热交换设备技术领域，尤其是一种新型扰流翅片。
背景技术
传统的波纹翅片及破口片为连续片串管结构，翅片由模具冲制而成，根据产品的实际设计要求，在冲制时由模具切到所需的长度，冷却管穿入翅片已冲成的管孔中，翅片管孔与冷却管之间通过过盈配合连接。
根据换热器的结构特点，从流体力学、传热学理论和已有的换热器开发经验来看，要想提高换热器气侧的传热能力，扩大冷却介质侧的通道截面系数是其中的一种方法。
从传热理论上可知在光管的表面增加肋片，能扩大与气体接触的光管外表面传热面积，相对于光管增强了冷却管外侧的传热能力，这一方法称为冷却管的肋化，肋化部分称肋片（也称翅片），肋片的传热能力决定了元件的换热能力，从传热理论可知：肋片的面积和肋片的传热效率共同决定了肋片的传热能力，现有的波纹翅片其周围开设有矩形破口和环形破口，但是在实际应用过程中，其换热效率还能否有更大的提升呢，这是一个值得探究的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对传统的换热器翅片做出改进，提供一种结构改进虽小，但是能够大大提升换热效率的新型扰流翅片。
本发明的具体方案是：一种新型扰流翅片，具有翅片本体，翅片本体上成排均匀设置有若干冷凝管管孔，每个冷凝管管孔周围均布有环形破口，同一排的相邻两个冷凝管管孔之间还冲制有矩形破口，在每个矩形破口的两侧对称位置处还各冲制有一个梯形破口。
本发明中所述梯形破口的上下底长度分别为12mm和6mm，梯形破口的高为5mm。
本发明中所述矩形破口两边冲制的倾斜角度为10°，矩形破口的长度为8mm，环形破口、矩形破口和梯形破口冲制的内腔深度为1mm。
本发明方案是根据已有元件的开发经验，新开发出来的一种新型扰流翅片，其冷却单元结构保留使用了矩形破口和环形破口，在原有破口的基础上增加二个梯形破口，在元件换热单元内进一步减小粘性流体边界层沿翅片表面的厚度，提高气侧的换热能力；同时可以加大冷却管直径，增加元件换热单元冷却介质的通道面积，使冷却介质在管内的流速维持在一个合理的范围。新型扰流翅片与传统的波纹片相比性能指标如下：
换热性能指标测算：新元件的传热系数在常用的流量范围（迎风面）15kg/ (m2.s)—25kg/ (m2.s)内增加22%～45%；
经济性能指标：由于换热系数的提高，根据公式可知，在相同的传热量下，传热面积会相应减小，翅片重量减少，材料成本得以节约，但由于冷却管管径的增大，冷却管的管材重量相应增加，这会增加冷却元件的成本，新元件在传热面积减少和冷却管增大的情形下，根据产品的测算，综合成本会减少5%-12%。
可靠性性能指标：新元件的制造工艺与过程控制与原有的相同，新元件的可靠性指标与寿命指标与原有的相同，不会出现降低的情况。
本发明产品单位体积内换热效率得到提高，从而降低了产品的成本，提高了公司产品在市场中的竞争力，在满足客户要求的同时，有效减小了产品的安装及运输空间。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是图1中K处放大示意图；
图3是图1中A处局部断面示意图；
图4是图1中B处局部断面示意图；
图5是中冷器测试数据表；
图6是中冷器对比分析数据曲线图表；
图7是本发明元件试验件的阻力特性曲线图表。
图中：1—冷凝管管孔，2—环形破口，3—矩形破口，4—梯形破口，5—翅片本体。
具体实施方式
参见图1-图4，本发明是一种新型扰流翅片，具有翅片本体5，翅片本体上成排均匀设置有若干冷凝管管孔1，每个冷凝管管孔周围均布有环形破口2，同一排的相邻两个冷凝管管孔之间还冲制有矩形破口3，在每个矩形破口的两侧对称位置处还各冲制有一个梯形破口4；本实施例中所述梯形破口的上下底长度分别为12mm和6mm，梯形破口的高为5mm；本实施例中所述矩形破口两边冲制的倾斜角度为10°，矩形破口的长度为8mm，环形破口、矩形破口和梯形破口冲制的内腔深度为1mm。
本发明方案是根据已有元件的开发经验，新开发出来的一种新型扰流翅片，其冷却单元结构保留使用了矩形破口和环形破口，在原有破口的基础上增加二个梯形破口，在元件换热单元内进一步减小粘性流体边界层沿翅片表面的厚度，提高气侧的换热能力；同时可以加大冷却管直径，增加元件换热单元冷却介质的通道面积，使冷却介质在管内的流速维持在一个合理的范围。新型扰流翅片与传统的波纹片相比性能指标如下：
换热性能指标：新元件的传热系数在常用的流量范围（迎风面）15kg/ (m2.s)—25kg/(m2.s)内增加22%～45%；
动力性能指标：产品的管程和壳程的压损与换热器设计有关，本发明产品元件的压损在常用的流量范围（迎风面）10kg/ (m2.s)～16kg/ (m2.s)内设计值许可增加值控制在0～3%；管程在相同管壁厚度（参考管壁厚=1mm）下有效通道截面面积增加8%，使用在同等体积的水流量下，管内流速能控制在2～2.5m/s内。
经济性能指标：由于换热系数的提高，根据公式可知，在相同的传热量下，传热面积会相应减小，翅片重量减少，材料成本得以节约，但由于冷却管管径的增大，冷却管的管材重量相应增加，这会增加冷却元件的成本，新元件在传热面积减少和冷却管增大的情形下，根据产品的测算，综合成本会减少5%-12%。
可靠性性能指标：新元件的制造工艺与过程控制与原有的相同，新元件的可靠性指标与寿命指标与原有的相同，不会出现降低的情况。
通过本发明产品的小小改进，对本发明产品进行风洞测试，对于产品实物将在换热器测试平台进行测试，测试的方法是将元件按风洞的要求制成模型芯组（也称模拟试件），模拟同气道和水道组成，在风洞中完成换热元件的换热性能和阻力特性参数提取，对元件参数获取后进行分析，结合流体学、传热学理论，和换热器已有的经验，来分析本发明产品的性能参数变化。
本发明产品新元件测试经实地考查，选定铁道部产品质量监督检验中心内燃机车检验站，它是经中国国家试验室认可委员会认证的铁道部产品质量监督检验定点试验站，拥有一系列先进的试验检测设备，具有出具公证数据的资格。
内燃机车检验站换热元件试验室包括：散热器试验台、中冷器试验台、热交换器试验台、冷却风扇试验台和振动试验台。各试验台设备先进、测试仪器仪表精良、试验方法科学，能够为用户提供准确的换热器传热性能和耐振动性能数据，对于本发明的试验件通过中冷器试验台来测试其性能的变化数据。
中冷器试验台：
中冷器试验台主要由水系统、两套空气系统和检测仪器仪表等组成。中冷器试验台主要功能是：
a）进行柴油机水—空增压空气中间冷却器（简称“中冷器”）的性能试验检测，测试中冷器的散热量Q、传热系数K和空气的压力降ΔPa随空气质量流速Ua或空气流量Va变化的关系，即Q=f（Ua）、K=f（Ua）和ΔPa=f（Ua），以及水的压力降ΔPw随水速ww的变化关系，即ΔPw=f（ww）。
b）进行空—空中冷器的性能试验检测，测试中冷器的散热量Q、传热系数K和增压空气的压力降ΔPa随增压空气质量流速Ua或空气流量Va的变化关系，即Q=f（Ua）、K=f（Ua）和ΔPa=f（Ua），以及冷却空气的压力降ΔPc随冷却空气质量流速Uc的变化关系，即ΔPc=f（Uc）。
试验台的能力：水泵流量 100 m3 /h，冷却水加热能力 400 kW，热空气流量26030 m3 /h，冷空气流量 18137 m3 /h，空气加热能力 500 kW。
经过中冷器试验台的测试，得到了如附图5、图6、图7所示的相关数据表及曲线图表，其中由于产品的工作阻力与产品自身的结构有关，因此附图7反映了试验元件在实验条件下的阻力特性。
从试验数据分析：本发明的翅片元件与现有的翅片元件相比，其换热性能指标的传热系数在常用的流量范围（迎风面）15kg/(m2.s)～25kg/ (m2.s)内增加25%～50%；
产品的综合分析，现以西门子公司的一款相近的产品为例进行计算对比，在满足冷却器各项要求且设计裕度相近的情况下，各项指标对比数据见下表：
通过以上数据可以看出，在满足同样要求热力性能指标（换热器功率、产品设计裕度）情况下：
动力性能指标：气侧的压力损失相当；管程（水侧）在减少管排数后流速两者相当。
经济性能指标：新开发的本发明产品元件相较于传统的现有元件的水侧面积可以减少8.8%，气侧面积减少28.8%，传热系数增加39.6% ，通过对产品的成本进行核算，综合成本可以下降8%。
可靠性性能指标说明：本发明产品新元件的制造工艺与传统的产品加工工艺相同，其可靠性两者相当。
本发明新元件通过元件设计分析，即翅片设计、模具开发、元件测试，对比试验数据和产品的对比设计，达到了预定的设计目标。本发明新元件的应用将能解决高增压比、高湿度气体设计的瓶颈，在现有产品的工艺参数范围内，与传统的元件相比，可以降低5%—15%的产品材料成本，新元件的使用将可提高产品的市场竟争力，为用户和公司带来巨大的经济效益。

Claims (3)

1.一种新型扰流翅片，具有翅片本体，翅片本体上成排均匀设置有若干冷凝管管孔，每个冷凝管管孔周围均布有环形破口，同一排的相邻两个冷凝管管孔之间还冲制有矩形破口，其特征在于：在每个矩形破口的两侧对称位置处还各冲制有一个梯形破口。
2.根据权利要求1所述的一种新型扰流翅片，其特征在于：所述梯形破口的上下底长度分别为12mm和6mm，梯形破口的高为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种新型扰流翅片，其特征在于：所述矩形破口两边冲制的倾斜角度为10°，矩形破口的长度为8mm，环形破口、矩形破口和梯形破口冲制的内腔深度为1mm。
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