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光管与翅片管传热效率测试系统设计
一、国内外研究状况及研究的意义
翅片管换热器简介
翅片管换热器是众多换热器中的一种，它是在管的表面加装翅片制成，在动力、化工等工业中有广泛的应用，许多螺旋型换热器面或螺纹管也都可看作是翅片管。它对扩展换热面积和促进湍流有显著作用，无论对单相对流换热器和相变对流换热器都具有很大价值。翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器基本相同，只是用翅片管代替了光管作为传热面，由于传热加强，结构紧凑，故可做成紧凑式换热器。翅片管换热器常用于加热管内气体，如现在应用较多的低温液体气化器，LO2、LN2、LNG等低温液体槽车的自增压器都可用翅片管形式的换热器。
常用的翅片有横向和纵向两类，其它类型都是这两类的变形，如大螺旋角翅片管、螺纹管等，前者接近纵向，后者接近横向。翅片可在管内、管外或内外兼有。
翅片管按制造方法不同可分为整体翅片、焊接翅片和机械连接翅片。
整体翅片由铸造，机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触热阻，强度高，耐热震和机械震动，因而传热、机械和热膨胀等性能较好。
翅片管的材料范围很广，有碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钦、蒙乃尔合金等，有时还采用双金属翅片以节约贵重金属，同时又能适应耐腐蚀性等工艺要求。由于翅片管应用广、材料和制造方法多样，工业发达的国家都己经标准化、系列化生产，并有专门的研究机构和制造厂。
翅片管的优点主要是:
(1)传热能力强。翅片管与光管相比，传热面积可增大2～10倍，传热系数可提高1～2倍。例如当空气流速为1.5～4m/s时，空气侧的对流传热系数(以光管外表面为基准)约可达550～1100(W/m2·℃)。
(2)结构紧凑。翅片管由于单位体积传热面加大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热器管子少。壳体直径或高度可减小，因而结构紧凑且便于布置。
(3)用料范围广。翅片管的材料范围很广，有碳钢、不锈钢、铝及铝合金、钦、蒙乃尔合金等，有时还采用双金属翅片以节约贵金属同时又能适应耐腐蚀性等工艺要求。
(4)翅片管的另一个特性是结垢减轻。翅片管不会象光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层，沿翅片和管子表面结成的污垢在胀缩作用下，会在翅根处断裂，促使硬垢自行脱落，这样就有利于长时间保持较高的传热性能。
(5)对于相变换热，可使换热系数或临界热流密度及“恶化含气量”提高。
翅片管的主要缺点是造价高和流阻大。例如空冷器的翅片管由于工艺复杂，其造价达设备费用的30～60%。
国内外研究状况
目前，国内外对翅片管换热器的研究，除了对换热管本身所采用的翅片进行研究外，主要集中在两个方面:一是换热器的结构参数(如翅片管间距、管排数等)对换热器的换热和流动性能的影响，二是翅片效率的计算方法。
国内外均对翅片管换热器的结构研究的比较多，而对翅片管的传热效率研究相对较少，下面对两方面分别进行介绍。
FethiHalici，TuztasMetin等人对平直翅片管换热器的管排数对传热、传质和流动性能的影响进行了试验研究。在相同的试验条件下，对四台不同管排数的换热器分别进行了加热和冷却试验。通过试验得到了加热情况下翅片侧为干表面和冷却情况下翅片侧为湿表面情况下的翅片侧的换热系数和阻力随雷诺数的变化的曲线。
Kang Hieehan，Kim MooHwan等人对翅片管换热器中的普通翅片、条形翅片、混合翅片的换热性能和压降进行了试验研究，结果表明在换热器的前排安装混合翅片和普通翅片、后排安装条形翅片比同样风力下全部采用条形翅片对于提高传热性能更为有效。
西安交通大学采用直接加热法对国内空调工业广泛采用的OAK生产线所生产的9种平直翅片管束的换热和流阻变化规律进行了试验研究，得到了翅片间距、管排数对平直翅片管束换热和流阻的影响，同时得出了9个试件的换热和流阻的试验关联式。
翅片管换热器工作时，由于沿翅片存在温度梯度，存在翅片效率的问题，所以对翅片效率的研究也是必要的。计算圆管翅片式换热器的翅片效率的方法有Schmidit公式和扇形法。两种方法给出的翅片效率非常接近，其差别一般小于3%。
传热效率测试系统研究的意义：
通过分析影响光管及翅片管传热效率的因素，并对各个因素进行详细的剖析，针对影响传热效率的主要因素进行分析计算，设计出一套传热效率测试的系统，可以达到以下效果：
1、可测试翅片管及光管的传热效率，为换热器选用合适的传热设备；
2、能够测试出不同性质，不同流速的流体的传热效率；
3、根据测试出来的数据能够进行分析，为改进换热器的结构，提高传热效率做参考的依据；
4、能够为改进生产工艺，提高设备制作水平，降低产品能耗提供参考。
二、设计的理论依据、设计方法、设计内容
理论依据
主要运用机械设计、现代测试方法及传热学相关理论及工具，设计一套测试系统，按照目前水套炉的实际工况建立，分析影响传热效率的因素，通过分析影响传热效率的因素，结合目前水套炉光管传热效率较低的情况，设计一套传热效率测试系统，可对光管及翅片管的传热效率进行测试。
设计方法
(1) 大量搜集国内外关于翅片管或者换热器传热效率测试系统的相关资料，对不同的传热原理及不同测试传热效率的方法进行研究整理；
(2) 选用水套炉作为研究对象，对影响传热效率的因素进行分析；
(3)有针对性地设计出合适的测试系统；
(4) 绘制出最优的传热效率测试系统示意图。
设计内容
(1) 根据影响传热效率的因素，设计出输入系统，能够输入各种不同的流质进行测试；
(2) 设计出温度测量系统，能够准确地测量输入流质的温度与输出流质的温度；
(3)设计出流速或者流量测试系统，能够测量出流质的流速或者流量。
三、设计可能存在的问题
因为实验条件的限制，本测试系统只是在理论上进行分析设计，可能存在着以下问题：
(1) 测试系统的是根据现场的一种工况建立，可能存在应用较窄的情况；
(2) 可能存在系统与实际有出入的情况；
(3) 理论分析设计，可能存在设计出来的系统测试的传热效率不准确的情况。
四、设计的预期结果
(1) 根据图书、期刊、电子数据库的相关文献资料等途径的调研与查阅，结合外文资料翻译过程，能熟练运用中外文献资料，有目的性、创造性的开展相关设计工作；
(2) 对换热器的传热过程有全面的了解，了解影响换热器传热的因素，并能根据影响的因素进行分析；
(3) 根据分析的结果和数据，根据实际工况建立适当的模型，设计出测试系统最优结构；
（4）设计的结果能实现对换热器的传热效率进行测试，达到本论文的目的。
五、进度安排
1
完成资料收集、分析并撰写开题报告
3.29—4.7
2
广泛查询并了解有关传热学及翅片管的相关知识，完成论文大纲，准备开题答辩
4.7—4.12
3
完成论文初稿，并按照要求设计传热效率测试系统，初步完成初稿
4.13—5.1
4
完成传热效率测试系统图、零件图及装配图的绘制
5.1—5.8
5
完善论文，对论文不妥当的地方进行修改并最终定稿并完成外文翻译
5.8—5.30
6
全面整理论文，并制作答辩用的幻灯片，准备答辩
5.30—6.10