扁管換熱元件強化傳熱特性分析★

賀士晶 王松慶 劉曙光

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

扁管換熱元件強化傳熱特性分析★

賀士晶 王松慶 劉曙光

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對扁管換熱元件，從提高換熱面積和增強流體湍流程度兩方面，通過橫截面積對比和對管內流體流動狀態進行模擬分析，對其強化傳熱特性進行了研究,結果表明扁管與傳統圓管相比可以提高傳熱面積，換熱器殼徑相同時，扁管布管比圓管多，大大提高了殼程空間的利用率,并且相同管內流量的情況下管內流速增加，增大了管內流體的湍動程度,有利于促進熱量的傳遞，扁管的管內對流傳熱要好于圓管。

扁管，強化傳熱，傳熱特性

0 引言

換熱器是采暖空調系統中的主要設備，也是建筑節能中最基本的節能單元。在建筑能耗中，采暖空調系統能耗占一半以上，故提高空調系統運行效率，開發高效的冷熱源設備是實現建筑節能的重要途徑。尋求換熱器高效化，小型化一直是優化換熱設備的主要方向。強化傳熱技術是指能顯著改善傳熱性能的節能新技術[1]，如采用改變換熱器殼體內部結構、采用換熱元件，通過改進換熱元件內部或外部結構等方法，提高換熱器的傳熱效率。從而在滿足相同傳熱量的前提下減少能源消耗、節約原材料，從而降低換熱設備的初投資及設備運行費用等。

扁管是一種強化換熱元件，是由相同周長的圓管壓制而成，橫截面由兩個對稱直邊和兩個對稱半圓弧組成，直邊側平壁相當于板式換熱器的板壁，其管束的傳熱特性更接近板束的傳熱，圓管被壓制成扁管后與傳統圓管相比，橫截面積減小，當量直徑降低，在相同流量下速度得以提高，可以增強流體湍動程度，起到強化對流換熱的目的。并且與傳統圓管相比橫截面積的減小增加了換熱器殼體內的布管數量，有效提高了換熱器殼程的利用率。可見，扁管管束組成的管殼式換熱器既保留了可靠性高、單管易更換、結構簡單的性能，又可強化換熱使其換熱能力接近板式換熱器的特點。

1 扁管換熱元件的應用及研究

在空調系統、余熱利用、車輛冷卻等領域都有扁管換熱元件應用的相關研究。

換熱器是空調系統的主要設備，其換熱效率直接影響著系統的整體效率和節能效果。換熱設備的高效化和小型化有利于降低整個系統的體積和重量以及降低系統設備的初投資。因此，研究結構緊湊、質量輕的高效換熱器是空調系統節能及高效化的關鍵技術之一。由于扁管換熱器具有較高的換熱能力和較高的性價比，目前一些空調廠商都在嘗試在空調中使用扁管換熱器[2]。在空調系統中應用扁管換熱元件的扁管換熱器，由于扁管橫截面積小于圓管，所以迎風側與空氣接觸面積小，可以降低迎風側阻力，增強風側對流換熱系數，達到提高對流換熱系數、降低空氣阻力的目的。當氣流做橫向沖刷流動時，扁管具有傳熱系數大、阻力損失較小的優點，因此扁管換熱元件在車輛冷卻傳熱上得到了廣泛的應用。

在余熱利用中，高效的換熱器是余熱利用的關鍵，文獻[3]中針對水—水換熱特點，成功開發出波紋扁管換熱器，在扁管結構的基礎上，將其平直段的內外兩側加工成波紋形狀。強化管內對流換熱的同時也增強了管外即換熱器殼程空間的換熱效率。降低了單位換熱量所占體積，達到了換熱器高效化和小型化的目的。文獻將高效波紋扁管換熱器應用在某印染企業廢水的余熱利用中，將其余熱用于鍋爐給水的預熱，提高了鍋爐的給水溫度，收到了顯著的節能經濟效益。

文獻[4]～[7]對扁管換熱元件及扁管換熱器進行了實驗研究。研究結果表明扁管換熱器具有結構緊湊、傳熱系數高、維修方便、金屬耗量少等優點。

2 扁管換熱元件傳熱面積的提高

扁管的幾何尺寸如圖1所示，圖1中ho為扁管的外部高度，Do為圓管(基管)的外徑。其中圖1a)為圓管，其外徑Do為16 mm，壁厚1 mm，以此圓管為基管壓制成三種尺寸的扁管分別為圖1b)1號扁管，圖1c)2號扁管，圖1d)3號扁管，具體尺寸如圖1所示。

圓管被壓制成扁管后，其當量直徑變小，φ16 mm×1 mm的圓管壓成如圖1所示三種幾何尺寸的1號、2號、3號扁管時，其截面面積分別降低了37.6%,20.6%和10.6%。與圓管相比橫截面積的降低可以增加在換熱器殼體內的布管數量，增加換熱器的換熱面積，提高殼體空間的利用率。在殼徑相同時提高換熱器的傳熱量。據文獻[8]的研究表明，圓管被壓制為扁管時，其當量直徑小。用φ19 mm的圓管壓制成h×l為9 mm×15.7 mm扁管時，對于殼內徑為160 mm的換熱器，φ19 mm的圓管可排21根，而扁管則可排9 mm×15.7 mm的扁管35根。扁管換熱面積提高87%，而在管板上的開孔面積僅比圓管管板多16.7%。由扁管換熱元件組成的扁管殼式換熱器，結構更為緊湊、能夠顯著的提高單位體積內的傳熱面積。在相同傳熱量要求下，換熱器的體積得以減小。

3 扁管強化管內對流換熱的機理分析

為進一步分析扁管內部對流換熱的特點，應用CFD軟件進行了圓管和扁管內部流動介質流動情況的模擬。模擬結果如圖2～圖5所示。選取的流動介質為液態水，模擬條件如下：

1)試驗圓管及三種尺寸扁管管道入口處的給定入口溫度和速度均相同；

2)出口壓力為0、無回流條件、壁面溫度恒定且壁面無滑移；

3)物性參數為等效溫度下的常量。圖2為圓管出口截面上的速度云圖，圖3～圖5為三種尺寸扁管出口截面上的速度云圖。

對比可見在管內流速最大值vmax相同的情況下，1號、2號、3號扁管截面流體的速度梯度均大于圓管，速度梯度的增大有利于近壁流體的擾動。在對流換熱中，其熱阻主要集中在靠近壁面的薄層中，靠近壁面流體速度的提高可以使熱量更快滲透通過主要熱阻區，熱量滲透通過這一薄層后將很快被中心流體帶走，達到強化流體對流換熱的目的。因此，圓管被壓制成扁管后可促進熱量的傳遞，強化管內對流換熱。

由圖3～圖5中的速度分布可以發現，扁管直邊側的速度梯度要明顯大于圓弧側的速度梯度。1號、2號、3號扁管出口截面的速度分布也存在差異，圖中對比顯示1號扁管的速度梯度最大，扁管被壓制的越扁，流體通道越窄壁面與流體中心的距離越近，速度梯度就越大，更利于提高管內對流傳熱效率。因此扁管壓扁程度越大速度梯度越大，強化換熱效果越明顯。

經上述分析，相同流動條件下，扁管兩個直邊和兩個圓弧的結構特點可以增大管截面的速度梯度，并且被壓制最扁的1號扁管的速度梯度最大，管內傳熱系數最高。因此與圓管相比扁管有很好的強化換熱的能力。

4 結語

1)高效換熱器是采暖空調系統節能的關鍵，扁管與圓管相比強化傳熱效果顯著，其構成的高效換熱器更利于建筑節能以及系統對低品位熱能的應用。

2)扁管直邊側的壁面類似于板式換熱器中的板片，因此由扁管組成的換熱器將具有接近板殼式換熱器的高傳熱性能，并且相同流量，扁管內部與圓管相比流體更易于達到湍流，可提高管內對流傳熱系數。

3)扁管具有兩個直邊和兩個圓弧的截面特點，與圓管比較相同周長下橫截面面積減小，相同空間內扁管的布管密度更大，結構更為緊湊，又加之對管內對流換熱的強化效果，這兩方面的特點可以使單位換熱量的管材消耗量大幅度下降，有利于設備小型化和降低設備造價。

[1] 崔海亭，彭培英.強化傳熱新技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2] 阮永基.扁管換熱器在空調上的應用研究[J].山東工業技術，2017(3)：43.

[3] 徐 濤，李俊杰.波紋扁管換熱器在廢水余熱回收中的應用[J].節能技術與管理，2014(4):15-16.

[4] 王澤武，喻九陽，馮興奎.扁管管內傳熱性能實驗研究[J].武漢化工學院學報，2003(25)：71-74.

[5] 喻九陽，王澤武，馮興奎.扁管管束殼程傳熱性能實驗研究[J].武漢化工學院學報，2004(26)：61-63.

[6] Yeon-Pun Chang，Rueyyih Tsai，Jiin-Wen Hwang. Condensing heat transfer characteristics of aluminum flat tube[J].Applied Thermal Engineering,1997(17):1055-1065.

[7] 孔麗君，生立夫，劉俊杰.國產內燃機車柴油機用脹接式中冷器的比較[J].內燃機車,2002(4)：1-7.

[8] 王澤武.扁管殼式換熱器性能研究與開發[D].武漢：武漢化工學院碩士學位論文，2004.

Theanalysisofheattransferenhancementcharacteristicforflattube★

HeShijingWangSongqingLiuShuguang

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The analysis on heat transfer enhancement characteristic for flat tube, which was considered both enhancing heat exchange area and increasing the extent of fluid turbulent, was carried out by cross-sectional area comparison and fluid flow state simulation in the tube. Compared with the circular tube, the result indicates that the area of heat exchange tube is increased. And the utilization rate of the shell space with different number of tubes, under the same shell diameter, is improved obviously. Under the same rate of flow,the velocity of flow is increased which could improve heat transfer for turbulent degree variation. The effect of convective heat transfer is better than circular tube.

flat tube, heat transfer enhancement, heat exchange characteristics

1009-6825(2017)28-0197-02

2017-07-23★:中央高校基本科研業務費專項資金項目(項目編號：DL11BB30)

賀士晶(1983- )，女，博士，講師

TU831.3

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