整體針翅管

整體針翅管 是種基管與針翅為整體的擴展表面管，基管與針翅之間無需焊接或通過其他方法進行連線，而是通過特殊的機械加工方法在光管表面直接刨起大量呈螺旋前進的針翅，針翅與基管一體，所以它們之間無接觸熱阻，針翅在大幅增加傳熱面積的同時，對流經其表面的液體能形成強烈的擾動，增加液體的湍流度。翅徑增大，針翅導熱係數提，都能使針翅的溫度分布沿翅軸向下降變慢，特別是對較大導熱係數的金屬材料，強化作用非常有利，可較大提高翅片效率。 整體三維針翅管傳熱性能好，強化效果顯著，沒有翅與基管的焊接熱阻，管外徑小而緊湊，擴大傳熱 面很大，可廣泛套用於強化管內或管外側傳熱膜係數小的一側的氣體高粘度油等介質，製冷劑蒸汽的冷凝，油氣和有機蒸氣冷凝、煉油廠重沸器等場念在製冷、空調、煉油和石油化工中有廣泛的套用前景，是國內外新開發的強化管型廣重空調公司和格力空調公司都在試驗開發擬套用於製冷空調產品上，國內油冷卻器上也在開發試驗套用中。它比瑞典Sunrod焊接針翅管更為先進，有良好的套用前景。

基本介紹

• 中文名：整體針翅管
• 外文名：integral pin-fin tube
• 傳熱機理：強化傳熱
• 類型：傳熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

為了提高管殼式換熱器的傳熱效率，國內外先後研製了各種強化管內、管外傳熱的換熱元件。常用的管外強化無相變傳熱有效方法一般分為兩類，一類為螺紋管、肋片管連續表面;第二類為開岔短肋、釘頭管、太陽棒等連續擴展表面。其中釘頭管強化傳熱效果十分顯著，加工方法也簡單，但由於受管殼式換熱器布管的限制，難以在管殼式換熱器中顯示其強化傳熱的優勢。近年來，先後開發了幾種傳熱元件，其中針翅管傳熱元件不但結構簡單，便於加工，而且由於具有一定的傾角，使得換熱管在獲得更大傳熱面的同時，能保持較的管間距，因此，從理論上講，對管外為高粘度油品傳熱的管殼式換熱器的強化效果是十分顯著的。

針翅管是一種具有不連續翅肋的強化傳熱管型。針翅管換熱器強化傳熱的機理就是在擴大二次傳熱面的同時，利用流體的擾動使流體的邊界層不斷地受到破壞，從而有效地提高傳熱係數K。由於針翅管採用連續性擴展表面，針翅與基管採用同一種材料，消除了接觸熱阻，從而較大地提高了傳熱係數。針翅管換熱元件可以廣泛套用在各種熱交換器中，如滑油冷卻器、空氣冷卻器、冰機冷卻器、空調冷卻器等。目前主要類型有瑞典Sunrod針翅管和整體針翅管兩種，分別進行了詳細的介紹。並且介紹針翅管的傳熱機理、傳熱模型、傳熱計算以及其與普通煙管的比較等。

研究表明，採用擴展表面是強化傳熱的一個非常有效的途徑。為了消除二維連續翅片管的不利因素，在工程中非連續翅片管得到了迅速發展和廣泛研究。整體針翅管作為一種新型的非連續翅片管，比二維的連續翅片管有更多的優點，在增加有效傳熱面積的同時，其非連續的翅片結構可以使流體比較容易地繞流到翅片根部，消除
連續擴展表面翅片根部與基管的流動滯留區，增加了強化傳熱效果。文以整體針翅管作為滑油冷卻器的換熱元件，在豎直縱向沖刷條件下對其進行單管強化傳熱。

整體針翅管結構及原理

整體針翅管屬一種三維擴展表面管，基管與針翅之間無需焊接或通過其他方法進行連線，而是通過特殊的機械加工方法在光管表面直接刨起大量呈螺旋前進的針翅，針翅與基管一體，所以它們之間無接觸熱阻，針翅在大幅增加傳熱面積的同時，對流經其表面的液體能形成強烈的擾動，增加液體的湍流度。

整體針翅管結構圖

流體流經針翅時具有複雜的流體力學特性，當流體縱向沖刷針翅管時，局部傳熱係數在針翅周向及長度方向均有變化，這是因沿針翅長度方向在針翅表面形成的流體力學邊界層厚度不同的緣故，具體的分布形式取決於針翅參數、流體力學工況等因素。針翅管的主要特點是具有擴展的二次傳熱面，其在滑油冷卻器中冷熱流體換熱可分解為3個部分進行:潤滑油與針翅管的一次傳熱面及二次傳熱面之間的對流換熱;針翅管的導熱，這個過程包括針翅端部向針翅根部的導熱和基管外表面向內表面的導熱;冷卻水與針翅管內壁的對流換熱。一次傳熱面類似於光管壁面，對其換熱已有較成熟的計算公式，作為二次傳熱面的針翅，其上面的溫度分布較基管的複雜得多。對針翅傳熱進行假設:1)針翅周圍介質溫度相同;2)針翅導熱係數幾為常數;3)對於無相變的流體，沿針翅長度方向表面傳熱膜係數相等。

整體針翅管的強化傳熱機理

無相變換熱器的傳熱為對流傳熱，當流體流經固體壁面時，近壁處存在一層滯流層，其流速較低，在沿壁法線方向幾乎沒有對流傳熱。用熱傳導的方式進行傳熱時，其導熱熱阻很大，流層中溫度梯度也較大。強落你寸流傳熱的機理主要是利用流體的分離，二次流及邊界層周期性地形成開始時所造成的擾動，使邊界層不斷地受到破壞，從而增大傳熱係數。當傳熱介質為高粘度時，易在外壁上形成一層穩定且較厚的邊界層，這層液膜會產生較大的附加熱阻，影響傳熱效率。只有使流體產生強烈的徑向運動，加強流體整體的流合，形成湍流，才能有效　地強化傳熱。

針翅管換熱器強化傳熱的機理就是在擴大二次傳熱面的同時，利用流體的擾動使流體的邊界層不斷地受到破壞，從而有效地提高傳熱係數K。由於針翅管採用連續性擴展表面，針翅與基管採用同一種材料，消除了接觸熱阻，從而較大地提高了傳熱係數。
在針翅管換熱器中，所有針翅管都會受到流體的橫向繞流，這樣不但提高了流體的湍流度，消除了流體流動時的旋渦死滯區，又增加了流體的擾動和混合。當流體流人針翅管換熱器管束時，在前置針翅上開始形成邊界層，但邊界層隨後在後置針翅上遭到破壞，並消失在後置針翅上旋渦區中。再在下一排針翅上形成新的邊界層，繼而再在下一排針翅上遭到破壞。如此反覆不斷，保持整個換熱面都充分利用了邊界層起始段較薄、熱阻較小的有利條件，提高了傳熱係數，降低了污垢生成的機率。
從理論上講，針翅管換熱元件可以廣泛套用在各種熱交換器中，如滑油冷卻器、空氣冷卻器、冰機冷卻器、空調冷卻器等。由於換熱管上針翅的布置、針翅長度和傾斜角度翱弘將直接影響傳熱的效果，在各類產品中，又表現出各種不同的特徵。

整體三維針翅管傳熱性能好，強化效果顯著，沒有翅與基管的焊接熱阻，管外徑小而緊湊，擴大傳熱面很大，可廣泛套用於強化管內或管外側傳熱膜係數小的一側的氣體高粘度油等介質，製冷劑蒸汽的冷凝，油氣和有機蒸氣冷凝、煉油廠重沸器等場念在製冷、空調、煉油和石油化工中有廣泛的套用前景，是國內外新開發的強化管型廣重空調公司和格力空調公司都在試驗開發擬套用於製冷空調產品上，國內油冷卻器上也在開發試驗套用中。它比瑞典Sun rod焊接針翅管更為先進，有良好的套用前景。

整體針翅管傳熱特性

整體針翅管對潤滑油在整個實驗流量範圍內都有明顯的強化作用。整體針翅管的總傳熱係數為2001470 W/mK，與相同條件下的光管相比，總傳熱係數可增加1-4倍。

針翅管結構參數對換熱的影響

擴展表面的結構特性(如針翅管的T, b)會對潤滑油在針翅管表面速度邊界層和溫度邊界層的形成和發展產生重要影響。翅片能撕裂邊界層並且在翅片後形成漩渦，有效地減薄流動邊界層，從而強化傳熱。

節距影響 針翅管的節距對傳熱的影響在不同的雷諾數範圍內有所不同。

翅高影響 相同節距、不同翅高針翅管針翅表面對流換熱係數隨雷諾數的變化關係。針翅管的翅高對傳熱的
影響在不同的Re範圍內有所不同。大於200，對流換熱係數增大，並與6#管沒有太大的差別;當Re達到400之後，對流換熱係數趨於相同，翅高對換熱的強化作用再沒有顯著的差異。

針翅管加工方向對換熱的影響

正向是指潤滑油的流動方向與針翅管的加工方向相同，反向是指潤滑油的流動方向與針翅管的加工方向相反。在Re大於200之後，針翅管的強化效果是正向安裝優於反向安裝(如:在Re=400時，正向安裝、反向安裝的針翅管的對流換熱係數分別為1721 W/m2 K, 1537W/m2 K)，正向安裝的對流換熱係數是反向安裝的1.12倍。正向安裝與反向安裝的差別主要來源於針翅管表面的翅片在加工過程中自然形成的形狀和旋轉角度，正向安裝時這些形狀和角度的存在有利於邊界層的脫落與分離，同時也有利於潤滑油對翅片根部的沖刷，從而進一步強化傳熱。

潤滑油進口溫度對換熱特性的影響

在整個雷諾數的範圍內潤滑油進口溫度為60℃ , 55 ℃時的總傳熱量明顯大於50℃時的傳熱量，但60℃和55℃度時的總傳熱量相差較小。從上述分析可知，適當增加冷熱側流體的換熱溫差有利於提高針翅管的總傳熱量，但過高的進口溫度對針翅管的強化傳熱沒有太大的作用。

冷卻水流速對換熱的影響

冷卻水流速對針翅管的總傳熱係數的影響會隨著潤滑油側雷諾數的不同而產生不同的影響。在潤滑油的Re較小時，油水傳熱熱阻主要在潤滑油側，3種冷卻水流速下針翅管管內均達到旺盛紊流。因此，冷卻水流速對總傳熱的作用不大。由上面的分析可知，隨著潤滑油側Re的增加，潤滑油側的對流換熱係數有明顯的提高。隨著潤滑油側換熱條件的改善，針翅管外側的對流換熱熱阻減小，與內側對流換熱熱阻在一定程度上已經可比，因而顯現出冷卻水流速提高的作用。

整體針翅管阻力特性

整體針翅管的流動阻力明顯高於光管的流動阻力，且結構參數對針翅管的阻力有很大的影響。當Re較小時，各針翅管的阻力係數曲線幾乎與光管的阻力係數曲線平行，流動處於層流狀態;隨著Re的增加，各針翅管阻力曲線先後出現轉折，其阻力係數與光管阻力係數之間的差距比層流時更大。

翅片對速度邊界層的反覆擾動和撕裂成為針翅管阻力係數增大的主要原因。

針翅管結構參數對阻力的影響

在紊流狀態下，擴展表面(螺旋內肋管等)的節距、肋高對速度邊界層的形成和發展有重要影響，肋片的相對高度在不同的雷諾數範圍內對阻力和換熱的影響不同，相對高度大於0.03之後，換熱管的流動阻力急劇增加，遠大於對換熱的強化倍數;節距在較大的雷諾數範圍內對阻力和換熱的影響表現出一致性，阻力的增加和對換熱的強化倍數均在2~4倍之內。
翅高影響 在雷諾數範圍內，阻力係數因翅高的不同而明顯不同，隨著翅高的增加，阻力係數成倍地增加，無論流動處在層流或紊流，翅片高度都是影響流動阻力的主要因素。
節距影響 在雷諾數範圍內阻力係數差別較小，節距對阻力係數的影響沒有翅高那樣明顯，在不同的雷諾數範圍內，其針翅管的阻力係數仍有細微的變化。

針翅管加工方向對阻力的影響

整體針翅管的加工方向對其傳熱有重要影響。正向是指潤滑油的流動方向與針翅管的加工方向相同，反向是指潤滑油的流動方向與針翅管的加工方向相反，在雷諾數較小、流動處在層流時，加工方向對針翅管流動阻力係數的影響沒有太大的差別。但隨著雷諾數的增加，加工過程中翅片自然形成的形狀和角度在針翅管正向時更容易破壞邊界而使正向的流動阻力略大於反向。

Sunrod針翅管

Sunrod針翅管基管外有許多長、短圓桿狀針翅，等間距地沿周向和縱向交錯或順序排列，且呈傾斜或垂直地焊於基管上，能對流體起強烈的擾流作用，而強化傳熱，適合在石油化工油品換熱器和各種工業加熱爐或餘熱鍋爐中使用。整體針翅管是採用特殊車削方法直接在基管上加工出細而長的螺旋針翅，體積小且緊湊，它除了可用於石油化工、電力部門的換熱設備中，還可套用於製冷、空調等行業，強化效果顯著。