歐陽新萍,　熊高鵬（上海理工大學制冷技術(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阻力也比雙金屬軋片式和繞片式換熱器要大,在相同的風機驅(qū)動下,管外流體流量會減少,平均換熱溫差會減小,從而影響工藝參數(shù)及換熱量。在一些應用場合,可能會產(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。目前各種應用場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)的流動阻力一般要低于叉排結(jié)構(gòu),而套片式的流動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,管外流體流動阻力將會相差不多,甚至可能降低,從而不會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。因為套片式的傳熱本身強于軋片或繞片,因而順排套片式換熱器的傳熱強度不大會弱于叉排的軋片管或繞片管。究竟效果如何,值得進行研究,特別是試驗研究。目前對套片式換熱器的研究基本都針對叉排結(jié)構(gòu)形式[1-3],對順排換熱器的研究鮮見報道。從Ｗｏｎｇ[4]給出的光管管束的管外對流換熱和流動阻力的計算式看,順排的換熱系數(shù)與叉排相比平均低5%,流動阻力平均低50%?？梢婍樑排c叉排相比,管外換熱的下降比流動阻力的下降幅度小很多。前蘇聯(lián)的動力技術(shù)物理研究所[5]對叉排和順排的圓翅片管束的換熱和阻力性能進行了研究,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度固然比叉排低,但管外流動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,換熱強度低得不多,阻力卻下降很多,因而在某些對阻力有限制的場合,順排是值得考慮的一種排列方式。本次研究主要采用試驗研究的方法,分別對順排和叉排的兩個套片式換熱器試件進行了試驗。
1　換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸及試驗方法
    試驗研究主要針對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的傳熱性能和管外空氣流動阻力性能進行對比。
    為確定試驗的片型,先選用了一些煉油行業(yè)應用比較典型的叉排套片片型,如圖1所示。為了與之對比,一種專門用于此次對比試驗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)計與叉排片型相同,這樣當兩者管排數(shù)相同時,空氣流動方向的外形尺寸也基本相同,這便于兩者之間的空氣流動阻力比較。順排的橫向管間距設(shè)計為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個管孔,小于叉排的8個管孔,這是為了實際產(chǎn)品中安排管子的排數(shù)和列數(shù)更加方便。兩個試件的翅片片距為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,增加對管內(nèi)流體的承壓能力,但對脹接工藝提出了更高的要求。
 
    試驗在吸風式風洞試驗臺上進行,試驗系統(tǒng)簡圖如圖5所示。試驗時,試件的管內(nèi)通熱水,管外空氣橫掠?？諝膺M、出試驗段的溫度由布置在試驗段前后流通截面上的熱電偶堆測量,空氣的流量由畢托管測量。在試件前后的風道上裝有測壓點,測量兩處的靜壓壓差,即可得到空氣流動阻力。試驗過程中,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,得到一系列的試驗工況點的試驗數(shù)據(jù)。對于結(jié)構(gòu)不同的兩個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)可能會存在偏差,因為這兩個參數(shù)的數(shù)值與所選取的傳熱面積有關(guān),而結(jié)構(gòu)不同的兩個試件往往很難找到合理的計算傳熱系數(shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)用的基準傳熱面。經(jīng)研究,以下的比較指標更合理:即單位試件體積、單位換熱平均溫差的換熱量。這個比較指標用ｙ表示,單位為Ｗ·ｍ-3·ｋ-1。比較的橫坐標為試件迎風面空氣流速,用符號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行比較。橫坐標也是試件迎風面空氣流速ｖ。阻力用符號ｄｐ表示,單位為Ｐａ。
2　試驗結(jié)果及討論
    對實驗數(shù)據(jù)進行整理,得到順排和叉排試件的管外換熱準則關(guān)系式和管外流體流動阻力準則關(guān)系式。管外換熱準則關(guān)系式
 
    兩個試件的傳熱性能和管外流體流動阻力性能的比較結(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,管間空氣流速將降低20%,按照通常的流速與流阻的關(guān)系,再考慮到擾動的減弱,拉大橫向管間距后的順排片型的空氣流動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阻力有較大幅度的降低。這時傳熱系數(shù)也會降低,按照通常的流速與傳熱性能的關(guān)系,再考慮到擾動的減弱,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,在某些對管外流體阻力降有嚴格限制而傳熱能力已較強的場合,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)計進口溫度為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阻力增大,則空氣的流速、流量勢必降低,空氣的進出口溫升將會增大,由此將使得本來就很小的換熱溫差進一步降低,嚴重影響換熱。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對換熱構(gòu)成太大的影響。
3　結(jié)　論
（1）對于結(jié)構(gòu)不同的兩個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到叉排套片式換熱器的效果。
（3）對于作為空冷器的套片式換熱器而言,在管內(nèi)流體流量較大的場合,或?qū)τ诠芡饬黧w阻力降有嚴格限制而換熱管的傳熱能力已較強的場合,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。