歐陽新萍,　熊高鵬（上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所,上海200093）
目前,國內(nèi)一些行業(yè)（如煉油、化工、電力等）所采用的空冷器正朝、緊湊的方向發(fā)展。這些行業(yè)原來所采用的空冷器多為繞片式或雙金屬軋片式,現(xiàn)在正逐漸采用更為、緊湊的套片式（穿片式）換熱器。套片式換熱器的傳熱性能通常優(yōu)于雙金屬軋片式和繞片式換熱器,這正是一些行業(yè)用套片式換熱器取代原換熱器的主要原因。然而,套片式換熱器的管外流體流動(dòng)阻力也比雙金屬軋片式和繞片式換熱器要大,在相同的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下,管外流體流量會(huì)減少,平均換熱溫差會(huì)減小,從而影響工藝參數(shù)及換熱量。在一些應(yīng)用場(chǎng)合,可能會(huì)產(chǎn)生得不償失的結(jié)果。
    解決上述問題的方法之一可以是采用順排結(jié)構(gòu)的套片式換熱器。目前各種應(yīng)用場(chǎng)合下的套片式換熱器幾乎都采用叉排結(jié)構(gòu)方式。由于順排結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力一般要低于叉排結(jié)構(gòu),而套片式的流動(dòng)阻力又要高于軋片式或繞片式,因而采用順排結(jié)構(gòu)的套片式換熱器與采用叉排結(jié)構(gòu)的雙金屬軋片式和繞片式換熱器相比,在管間距相同的前提下,管外流體流動(dòng)阻力將會(huì)相差不多,甚至可能降低,從而不會(huì)影響到管外流體的流量和換熱溫差。盡管順排結(jié)構(gòu)的傳熱性能與叉排相比可能會(huì)有所下降,但與阻力下降的幅度相比,傳熱性能的下降幅度較小。因?yàn)樘灼降膫鳠岜旧韽?qiáng)于軋片或繞片,因而順排套片式換熱器的傳熱強(qiáng)度不大會(huì)弱于叉排的軋片管或繞片管。究竟效果如何,值得進(jìn)行研究,特別是試驗(yàn)研究。目前對(duì)套片式換熱器的研究基本都針對(duì)叉排結(jié)構(gòu)形式[1-3],對(duì)順排換熱器的研究鮮見報(bào)道。從Ｗｏｎｇ[4]給出的光管管束的管外對(duì)流換熱和流動(dòng)阻力的計(jì)算式看,順排的換熱系數(shù)與叉排相比平均低5%,流動(dòng)阻力平均低50%?？梢婍樑排c叉排相比,管外換熱的下降比流動(dòng)阻力的下降幅度小很多。前蘇聯(lián)的動(dòng)力技術(shù)物理研究所[5]對(duì)叉排和順排的圓翅片管束的換熱和阻力性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,順排與叉排相比,阻力低45%左右,換熱性能低20%左右。Ｋａｙｓ和Ｌｏｎｄｏｎ[6]研究了順排和叉排的套片管管束換熱性能,但所研究的順排的套片管管束的管子是扁平管,圓管的套片管管束只研究叉排形式,而未研究順排形式。從Ｋａｙｓ和Ｌｏｎｄｏｎ關(guān)于扁平管的順排和叉排（相同管間距）套片管管束的研究結(jié)果看,順排的阻力低40%左右,換熱低10%左右。上述的研究結(jié)果表明,相同管間距下順排管束的換熱強(qiáng)度固然比叉排低,但管外流動(dòng)阻力的降低幅度要大得多。盡管套片管的特性與光管和翅片管不同,圓管與扁平管也不一樣,但從定性上來看,應(yīng)該是一致的。至于定量的數(shù)據(jù),這正是要被研究的內(nèi)容。綜上所述,順排與叉排相比,換熱強(qiáng)度低得不多,阻力卻下降很多,因而在某些對(duì)阻力有限制的場(chǎng)合,順排是值得考慮的一種排列方式。本次研究主要采用試驗(yàn)研究的方法,分別對(duì)順排和叉排的兩個(gè)套片式換熱器試件進(jìn)行了試驗(yàn)。
1　換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)研究主要針對(duì)用于空氣冷卻器的圓管套片式（穿片式）換熱器以叉排和順排形式排列管束時(shí)的傳熱性能和管外空氣流動(dòng)阻力性能進(jìn)行對(duì)比。
    為確定試驗(yàn)的片型,先選用了一些煉油行業(yè)應(yīng)用比較典型的叉排套片片型,如圖1所示。為了與之對(duì)比,一種專門用于此次對(duì)比試驗(yàn)的順排套片片型被開發(fā)出來,如圖2所示。
 
用該兩種片型制作的叉排和順排的試件簡(jiǎn)圖示于圖3和圖4。
 
從圖1和圖2可以看到:順排片型的縱向管間距（42ｍｍ）設(shè)計(jì)與叉排片型相同,這樣當(dāng)兩者管排數(shù)相同時(shí),空氣流動(dòng)方向的外形尺寸也基本相同,這便于兩者之間的空氣流動(dòng)阻力比較。順排的橫向管間距設(shè)計(jì)為42ｍｍ,與縱向管間距相同,這是參照大多數(shù)順排排列方式而確定的。順排片型的橫向外形尺寸（126ｍｍ）小于叉排片型（193ｍｍ）,片中為6個(gè)管孔,小于叉排的8個(gè)管孔,這是為了實(shí)際產(chǎn)品中安排管子的排數(shù)和列數(shù)更加方便。兩個(gè)試件的翅片片距為2.5ｍｍ,片厚為0.2ｍｍ,翅片材料為鋁,基管材料為碳鋼?；懿捎锰间摽梢越档彤a(chǎn)品成本,增加對(duì)管內(nèi)流體的承壓能力,但對(duì)脹接工藝提出了更高的要求。
 
    試驗(yàn)在吸風(fēng)式風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。試驗(yàn)時(shí),試件的管內(nèi)通熱水,管外空氣橫掠。空氣進(jìn)、出試驗(yàn)段的溫度由布置在試驗(yàn)段前后流通截面上的熱電偶堆測(cè)量,空氣的流量由畢托管測(cè)量。在試件前后的風(fēng)道上裝有測(cè)壓點(diǎn),測(cè)量?jī)商幍撵o壓壓差,即可得到空氣流動(dòng)阻力。試驗(yàn)過程中,保持水的流速和定性溫度基本不變,即保持水側(cè)的對(duì)流換熱熱阻基本不變,調(diào)整、選定空氣的流速,得到一系列的試驗(yàn)工況點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)試件的傳熱性能的比較,選取傳熱系數(shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)作為比較參數(shù)可能會(huì)存在偏差,因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)的數(shù)值與所選取的傳熱面積有關(guān),而結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)試件往往很難找到合理的計(jì)算傳熱系數(shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)用的基準(zhǔn)傳熱面。經(jīng)研究,以下的比較指標(biāo)更合理:即單位試件體積、單位換熱平均溫差的換熱量。這個(gè)比較指標(biāo)用ｙ表示,單位為Ｗ·ｍ-3·ｋ-1。比較的橫坐標(biāo)為試件迎風(fēng)面空氣流速,用符號(hào)ｖ表示,單位為ｍ ｓ。由于兩種試件的管排數(shù)、縱向管間距、縱向外形尺寸都一樣,因此兩種試件的阻力可直接進(jìn)行比較。橫坐標(biāo)也是試件迎風(fēng)面空氣流速ｖ。阻力用符號(hào)ｄｐ表示,單位為Ｐａ。
2　試驗(yàn)結(jié)果及討論
    對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到順排和叉排試件的管外換熱準(zhǔn)則關(guān)系式和管外流體流動(dòng)阻力準(zhǔn)則關(guān)系式。管外換熱準(zhǔn)則關(guān)系式
 
    兩個(gè)試件的傳熱性能和管外流體流動(dòng)阻力性能的比較結(jié)果如圖6、圖7所示。
 
 
從中可以看出:兩者的換熱和阻力圖線非常接近。在常規(guī)的迎面風(fēng)速范圍（2.0～4.0ｍ ｓ）,兩者的平均差別小于3%。這說明:①由于兩者的傳熱和阻力性能都相差甚小,在有其它因素需考慮的時(shí)候,可以選擇順排方式。如本文的順排排列方式（圖2）,單位體積的管子數(shù)要多于叉排（圖1）,如果管內(nèi)流體的通流量較大,就可以選擇順排方式。②如果將順排片型的橫向管間距（42ｍｍ）拉大,使其等于叉排的橫向管間距（48ｍｍ）,即使得兩者的單位體積的管子數(shù)相等,則這種片型的順排試件的空氣流動(dòng)阻力將肯定低于叉排試件。這是由于橫向管間距拉大后,管間通流截面積將增大20%,亦即在空氣迎面流速相同時(shí),管間空氣流速將降低20%,按照通常的流速與流阻的關(guān)系,再考慮到擾動(dòng)的減弱,拉大橫向管間距后的順排片型的空氣流動(dòng)阻力將比叉排片型低30%～40%。也就是說,在單位體積的管子數(shù)相同的前提下,采用順排方式與采用叉排方式相比,管外空氣或氣體的流動(dòng)阻力有較大幅度的降低。這時(shí)傳熱系數(shù)也會(huì)降低,按照通常的流速與傳熱性能的關(guān)系,再考慮到擾動(dòng)的減弱,拉大橫向管間距后的順排片型的傳熱性能將比叉排片型的低10%～20%。因此,在某些對(duì)管外流體阻力降有嚴(yán)格限制而傳熱能力已較強(qiáng)的場(chǎng)合,采用順排布置不失為一種合適的選擇。如前所述的套片式換熱器取代軋片式換熱器的場(chǎng)合,在一些行業(yè)中,要求的管內(nèi)熱流體的出口溫度很低,在44°Ｃ左右,空氣的設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度為37°Ｃ,換熱溫差非常小。如果叉排套片取代叉排軋片使得管外空氣流動(dòng)阻力增大,則空氣的流速、流量勢(shì)必降低,空氣的進(jìn)出口溫升將會(huì)增大,由此將使得本來就很小的換熱溫差進(jìn)一步降低,嚴(yán)重影響換熱。而用順排套片取代叉排軋片就可以消除這種影響。至于傳熱性能,由于套片式換熱器的傳熱能力本來就高于軋片的,由叉排改順排造成的傳熱性能的下降不會(huì)對(duì)換熱構(gòu)成太大的影響。
3　結(jié)　論
（1）對(duì)于結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)試件的傳熱性能的比較,用單位試件體積、單位換熱平均溫差的換熱量作為比較指標(biāo)是更合適的。
（2）選用合適的管間距的順排套片式換熱器的熱力性能可以達(dá)到叉排套片式換熱器的效果。
（3）對(duì)于作為空冷器的套片式換熱器而言,在管內(nèi)流體流量較大的場(chǎng)合,或?qū)τ诠芡饬黧w阻力降有嚴(yán)格限制而換熱管的傳熱能力已較強(qiáng)的場(chǎng)合,在管間距基本相同的前提條件下,順排形式的管束排列方式是更合適的選擇。