扁管换热元件强化传热特性分析★

贺士晶 王松庆 刘曙光

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

扁管换热元件强化传热特性分析★

贺士晶 王松庆 刘曙光

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

针对扁管换热元件，从提高换热面积和增强流体湍流程度两方面，通过横截面积对比和对管内流体流动状态进行模拟分析，对其强化传热特性进行了研究,结果表明扁管与传统圆管相比可以提高传热面积，换热器壳径相同时，扁管布管比圆管多，大大提高了壳程空间的利用率,并且相同管内流量的情况下管内流速增加，增大了管内流体的湍动程度,有利于促进热量的传递，扁管的管内对流传热要好于圆管。

扁管，强化传热，传热特性

0 引言

换热器是采暖空调系统中的主要设备，也是建筑节能中最基本的节能单元。在建筑能耗中，采暖空调系统能耗占一半以上，故提高空调系统运行效率，开发高效的冷热源设备是实现建筑节能的重要途径。寻求换热器高效化，小型化一直是优化换热设备的主要方向。强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术[1]，如采用改变换热器壳体内部结构、采用换热元件，通过改进换热元件内部或外部结构等方法，提高换热器的传热效率。从而在满足相同传热量的前提下减少能源消耗、节约原材料，从而降低换热设备的初投资及设备运行费用等。

扁管是一种强化换热元件，是由相同周长的圆管压制而成，横截面由两个对称直边和两个对称半圆弧组成，直边侧平壁相当于板式换热器的板壁，其管束的传热特性更接近板束的传热，圆管被压制成扁管后与传统圆管相比，横截面积减小，当量直径降低，在相同流量下速度得以提高，可以增强流体湍动程度，起到强化对流换热的目的。并且与传统圆管相比横截面积的减小增加了换热器壳体内的布管数量，有效提高了换热器壳程的利用率。可见，扁管管束组成的管壳式换热器既保留了可靠性高、单管易更换、结构简单的性能，又可强化换热使其换热能力接近板式换热器的特点。

1 扁管换热元件的应用及研究

在空调系统、余热利用、车辆冷却等领域都有扁管换热元件应用的相关研究。

换热器是空调系统的主要设备，其换热效率直接影响着系统的整体效率和节能效果。换热设备的高效化和小型化有利于降低整个系统的体积和重量以及降低系统设备的初投资。因此，研究结构紧凑、质量轻的高效换热器是空调系统节能及高效化的关键技术之一。由于扁管换热器具有较高的换热能力和较高的性价比，目前一些空调厂商都在尝试在空调中使用扁管换热器[2]。在空调系统中应用扁管换热元件的扁管换热器，由于扁管横截面积小于圆管，所以迎风侧与空气接触面积小，可以降低迎风侧阻力，增强风侧对流换热系数，达到提高对流换热系数、降低空气阻力的目的。当气流做横向冲刷流动时，扁管具有传热系数大、阻力损失较小的优点，因此扁管换热元件在车辆冷却传热上得到了广泛的应用。

在余热利用中，高效的换热器是余热利用的关键，文献[3]中针对水—水换热特点，成功开发出波纹扁管换热器，在扁管结构的基础上，将其平直段的内外两侧加工成波纹形状。强化管内对流换热的同时也增强了管外即换热器壳程空间的换热效率。降低了单位换热量所占体积，达到了换热器高效化和小型化的目的。文献将高效波纹扁管换热器应用在某印染企业废水的余热利用中，将其余热用于锅炉给水的预热，提高了锅炉的给水温度，收到了显著的节能经济效益。

文献[4]～[7]对扁管换热元件及扁管换热器进行了实验研究。研究结果表明扁管换热器具有结构紧凑、传热系数高、维修方便、金属耗量少等优点。

2 扁管换热元件传热面积的提高

扁管的几何尺寸如图1所示，图1中ho为扁管的外部高度，Do为圆管(基管)的外径。其中图1a)为圆管，其外径Do为16 mm，壁厚1 mm，以此圆管为基管压制成三种尺寸的扁管分别为图1b)1号扁管，图1c)2号扁管，图1d)3号扁管，具体尺寸如图1所示。

圆管被压制成扁管后，其当量直径变小，φ16 mm×1 mm的圆管压成如图1所示三种几何尺寸的1号、2号、3号扁管时，其截面面积分别降低了37.6%,20.6%和10.6%。与圆管相比横截面积的降低可以增加在换热器壳体内的布管数量，增加换热器的换热面积，提高壳体空间的利用率。在壳径相同时提高换热器的传热量。据文献[8]的研究表明，圆管被压制为扁管时，其当量直径小。用φ19 mm的圆管压制成h×l为9 mm×15.7 mm扁管时，对于壳内径为160 mm的换热器，φ19 mm的圆管可排21根，而扁管则可排9 mm×15.7 mm的扁管35根。扁管换热面积提高87%，而在管板上的开孔面积仅比圆管管板多16.7%。由扁管换热元件组成的扁管壳式换热器，结构更为紧凑、能够显著的提高单位体积内的传热面积。在相同传热量要求下，换热器的体积得以减小。

3 扁管强化管内对流换热的机理分析

为进一步分析扁管内部对流换热的特点，应用CFD软件进行了圆管和扁管内部流动介质流动情况的模拟。模拟结果如图2～图5所示。选取的流动介质为液态水，模拟条件如下：

1)试验圆管及三种尺寸扁管管道入口处的给定入口温度和速度均相同；

2)出口压力为0、无回流条件、壁面温度恒定且壁面无滑移；

3)物性参数为等效温度下的常量。图2为圆管出口截面上的速度云图，图3～图5为三种尺寸扁管出口截面上的速度云图。

对比可见在管内流速最大值vmax相同的情况下，1号、2号、3号扁管截面流体的速度梯度均大于圆管，速度梯度的增大有利于近壁流体的扰动。在对流换热中，其热阻主要集中在靠近壁面的薄层中，靠近壁面流体速度的提高可以使热量更快渗透通过主要热阻区，热量渗透通过这一薄层后将很快被中心流体带走，达到强化流体对流换热的目的。因此，圆管被压制成扁管后可促进热量的传递，强化管内对流换热。

由图3～图5中的速度分布可以发现，扁管直边侧的速度梯度要明显大于圆弧侧的速度梯度。1号、2号、3号扁管出口截面的速度分布也存在差异，图中对比显示1号扁管的速度梯度最大，扁管被压制的越扁，流体通道越窄壁面与流体中心的距离越近，速度梯度就越大，更利于提高管内对流传热效率。因此扁管压扁程度越大速度梯度越大，强化换热效果越明显。

经上述分析，相同流动条件下，扁管两个直边和两个圆弧的结构特点可以增大管截面的速度梯度，并且被压制最扁的1号扁管的速度梯度最大，管内传热系数最高。因此与圆管相比扁管有很好的强化换热的能力。

4 结语

1)高效换热器是采暖空调系统节能的关键，扁管与圆管相比强化传热效果显著，其构成的高效换热器更利于建筑节能以及系统对低品位热能的应用。

2)扁管直边侧的壁面类似于板式换热器中的板片，因此由扁管组成的换热器将具有接近板壳式换热器的高传热性能，并且相同流量，扁管内部与圆管相比流体更易于达到湍流，可提高管内对流传热系数。

3)扁管具有两个直边和两个圆弧的截面特点，与圆管比较相同周长下横截面面积减小，相同空间内扁管的布管密度更大，结构更为紧凑，又加之对管内对流换热的强化效果，这两方面的特点可以使单位换热量的管材消耗量大幅度下降，有利于设备小型化和降低设备造价。

[1] 崔海亭，彭培英.强化传热新技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 阮永基.扁管换热器在空调上的应用研究[J].山东工业技术，2017(3)：43.

[3] 徐 涛，李俊杰.波纹扁管换热器在废水余热回收中的应用[J].节能技术与管理，2014(4):15-16.

[4] 王泽武，喻九阳，冯兴奎.扁管管内传热性能实验研究[J].武汉化工学院学报，2003(25)：71-74.

[5] 喻九阳，王泽武，冯兴奎.扁管管束壳程传热性能实验研究[J].武汉化工学院学报，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] 孔丽君，生立夫，刘俊杰.国产内燃机车柴油机用胀接式中冷器的比较[J].内燃机车,2002(4)：1-7.

[8] 王泽武.扁管壳式换热器性能研究与开发[D].武汉：武汉化工学院硕士学位论文，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★:中央高校基本科研业务费专项资金项目(项目编号：DL11BB30)

贺士晶(1983- )，女，博士，讲师

TU831.3

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