專利名稱：具有粗糙表面翅片的傳熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種具有粗糙表面翅片的傳熱裝置，屬傳熱設(shè)備制造技術(shù)。
在現(xiàn)有的傳熱設(shè)備中，由于翅片能夠增加傳熱面積，作為擴(kuò)張表面主要形式之一的翅片已廣泛應(yīng)用于傳熱設(shè)備中用來強(qiáng)化傳熱設(shè)備的傳熱性能。但現(xiàn)有傳熱設(shè)備中所有的翅片大部分為表面光滑翅片，雖然表面光滑翅片能增加傳熱面積，然而由于翅片的幾何尺寸(長和寬)都有一定限制，不可能使翅片數(shù)太多，翅片尺寸不可能太大。因此，傳熱效果仍不夠理想。故需要研究更有效的傳熱翅片以便在同樣的傳熱需求下，減少翅片用量，減小翅片幾何尺寸，既達(dá)到最好的節(jié)能效果，又能達(dá)到省材的目的。
本實(shí)用新型的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有傳熱設(shè)備中所用的翅片是表面光滑翅片，存在傳熱效果不理想，而翅片數(shù)量又不能太多、太大，否則存在傳熱設(shè)備太大，節(jié)能效果差又費(fèi)材等的缺點(diǎn)和問題，研究設(shè)計(jì)一種同樣傳熱負(fù)荷需求下翅片數(shù)少、翅片幾何尺寸小、傳熱效果及節(jié)能效果好，又省材的具有粗糙表面翅片的傳熱裝置。
本實(shí)用新型是通過下述結(jié)構(gòu)技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的具有粗糙表面翅片的傳熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如


圖1和圖2所示，它主要由法蘭1、外連接管2、蓋板3、粗糙表面翅片管4、管板5、粗糙表面翅片6、管道7共同連接構(gòu)成，其相互連接關(guān)系為法蘭1與外連接管2固定連接，外連接管2與管板5固定連接，蓋板3固定連接于傳熱裝置支架上并與管板5一起構(gòu)成管外流體流道，粗糙表面翅片管4與管板5固定連接，粗糙表面翅片6與管道7固定連接構(gòu)成粗糙表面翅片管，其中的關(guān)鍵是粗糙表面翅片6是在翅片的表面加工制造或鑄造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片；具有粗糙翅片的傳熱裝置的作用原理為加裝翅片后，換熱設(shè)備的傳熱面積大幅度增大，相應(yīng)總的傳熱量有較大的增加，但流體與壁面間的對流傳熱系數(shù)并沒有增大。對于以氣體作為冷卻介質(zhì)的換熱器，設(shè)法增加氣體側(cè)的對流換熱系數(shù)則顯得十分必要。以空氣為例，與水相比，35℃時(shí)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是水的1/20，空氣的比熱是水的1/4，空氣的密度是水的1/800。分別用水和空氣作為冷卻介質(zhì)，如果傳熱量相同，冷卻介質(zhì)的溫升相同，那么所需要的空氣的質(zhì)量將是水的4倍，空氣的體積將是水的3200倍?？梢姡黾涌諝鈧?cè)的對流傳熱系數(shù)是十分有效的強(qiáng)化傳熱手段。提高對流傳熱系數(shù)的一種有效方法就是改變流道形狀，破壞流體邊界層的形成和發(fā)展。本發(fā)明人研究表明，開槽或肋化壁面能夠增大對流傳熱系數(shù)。本實(shí)用新型提供粗糙表面翅片，該翅片可應(yīng)用于多種換熱設(shè)備。使用該種翅片后，將有效增加翅片的對流傳熱系數(shù)，從而在同樣傳熱負(fù)荷的需求下，可減少翅片用量，達(dá)到節(jié)能、省材的目的。當(dāng)氣流經(jīng)過翅片時(shí)，氣流會(huì)緊貼翅片壁面，形成一層流動(dòng)邊界層。對于層流，沿著流動(dòng)方向，邊界層不斷增厚，直到其在流道中心線處混合，達(dá)到充分發(fā)展。故對于充分發(fā)展的層流，其邊界層厚度應(yīng)為管道的半徑或1/2流道寬度。對于湍流，沿流動(dòng)方向邊界層也逐漸增厚，當(dāng)雷諾數(shù)足夠大而達(dá)到充分發(fā)展時(shí)，邊界層的厚度將保持一個(gè)特定值。在以對流傳熱為主的傳熱設(shè)備中，傳熱熱阻主要集中在附著在壁面上的流動(dòng)邊界層。故破壞流動(dòng)邊界層的形成和發(fā)展，使其不能愈來愈厚是十分有效的強(qiáng)化傳熱手段。對于翅片傳熱，流體在翅片通道內(nèi)的流動(dòng)以水力進(jìn)口段流動(dòng)為主(即沒有達(dá)到充分發(fā)展)，因此，通過增加壁面粗糙度來破壞邊界層的形成和發(fā)展，將更加有效地增強(qiáng)翅片的傳熱性能。在本實(shí)用新型中，我們將翅片的表面進(jìn)行特殊處理，使得翅片表面凹凸不平。當(dāng)流體流過這些凸出或凹進(jìn)的部分時(shí)，流動(dòng)邊界層的發(fā)展受到嚴(yán)重破壞，流體將不斷地從翅片壁面上分離，然后又重新附著到流動(dòng)壁面上。翅片壁面上的凸出或凹進(jìn)的部分可進(jìn)行科學(xué)分布，使得流體能夠恰當(dāng)?shù)胤蛛x和附著，從而大大提高翅片的對流傳熱系數(shù)。這種具有粗糙表面的傳熱裝置可應(yīng)用于強(qiáng)制對流，也可應(yīng)用于自然對流。
本實(shí)用新型有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)傳熱裝置裝上凹凸不平粗糙表面翅片能增強(qiáng)傳熱性能，這一方面由于翅片上形成的凸起部分能夠?qū)Τ崞诿嫔系牧黧w邊界層進(jìn)行切割與分離另一方面，當(dāng)翅片壁面上的流動(dòng)邊界層遭到破壞后，邊界層的厚度變薄，表現(xiàn)為粗糙壁面流道內(nèi)流體的速度分布曲線比光滑壁面流道內(nèi)流體的速度分布曲線更加平坦。本發(fā)明人研究表明以交叉槽翅片為例，其平均對流傳熱系數(shù)比光滑翅片高出25～40％。管道外加翅片后，傳熱裝置的總傳熱面積比無翅片時(shí)增加了幾倍或幾十倍，而粗糙表面翅片又使翅片的傳熱系數(shù)又提高了25～40％，所以管外流體的對流傳熱性能得到顯著提高?？梢?，具有粗糙表面翅片的傳熱裝置特別適用于管外流體的對流傳熱系數(shù)比管內(nèi)流體的流體對流傳熱系數(shù)小得多的場合(2)本傳熱裝置中的翅片為粗糙表面翅片，在翅片表面形成眾多的凸起和凹進(jìn)。在對流傳熱中，流體的壁面狀態(tài)對傳熱起決定作用。翅片表面上的凸起和凹進(jìn)能夠造成邊界層內(nèi)流體的流動(dòng)分離，加大壁面處流體的湍流度，破壞邊界層的形成和發(fā)展，從而有效提高流體對流傳熱系數(shù)。當(dāng)翅片表面上凸起部分的高度介于5～8倍的邊界層層流低層厚度時(shí)，強(qiáng)化傳熱的效果十分顯著。
下面對說明書附圖進(jìn)一步說明如下
圖1為具有粗糙表面翅片的傳熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為翅片管結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為開水平槽翅片形狀示意圖，圖4為開豎直槽翅片形狀示意圖，圖5為開交叉槽翅片形狀示意圖。
本實(shí)用新型的實(shí)施方式可為如下(1)按
圖1、圖2所示設(shè)計(jì)、制造本裝置的各部件，其中蓋板3、管板5、法蘭1均可選用普通碳鋼，用常用的機(jī)械加工方法制成，外連接管為無縫銅管或銅管，可用冷扎或冷拔而制成。粗糙表面翅片可選用普通鋁板或鋼板壓鑄而成，再在翅片表面可用滾壓、燒結(jié)或開槽等方法制造成表面凹凸不平的粗糙表面翅片，也可直接鑄造成凹凸不平的粗糙表面翅片；(2)各部件制造后，便可按上面說明書所述的相互連接關(guān)系進(jìn)行安裝連接，其安裝步驟為首先將具有粗糙表面翅片緊固連接到管道上，將翅片管連接到管板上，然后將外連接管連接到管板上，進(jìn)而將法蘭連接到外連接管上，最后將上、下蓋板連接到管板上，便完成了本實(shí)用新型的實(shí)施如果換熱設(shè)備本身是鑄造件(如柴油機(jī)汽缸，電子散熱元件等)，則可先在模具上制造出表面凹凸不平的翅片，然后通過鑄造實(shí)現(xiàn)整體翅片。
發(fā)明人為了驗(yàn)證本發(fā)明的優(yōu)越性，認(rèn)真做了對比實(shí)驗(yàn)，用開槽翅片來模擬粗糙表面翅片的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)是在一風(fēng)洞中進(jìn)行的，風(fēng)洞測試段的截面形狀為矩形(200mm×80mm)，冷卻空氣由引風(fēng)機(jī)經(jīng)過喇叭形風(fēng)洞入口引入，氣流水平地流過試驗(yàn)翅片組，對翅片進(jìn)行水平?jīng)_刷。將待測翅片組裝成翅片組，總共測試了四種不同表面形狀的翅片組光滑翅片、水平槽翅片(如圖3所示)、豎直槽翅片(如圖4所示)和交叉槽翅片(如圖5所示)。所有槽道均寬5mm，深0.5mm。對四種試驗(yàn)翅片，翅間距均取4、6、8和10mm，故共有16個(gè)翅片組。空氣流過每個(gè)翅片組的質(zhì)量流量固定為5種0.035、0.058、0.08、0.11和0.14kg/s。翅片長度L與翅間距S之比為25＜L/S＜62.5，翅片高度H與翅間距S之比為6＜H/S＜15。以當(dāng)量直徑作為定性尺寸，實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)Re為2,000＜Re＜12,000。相對粗糙度(e/Dh)(定義為槽深與當(dāng)量直徑之比)為0.02＜e/Dh＜0.05。
權(quán)利要求1.一種包括有法蘭、蓋板等的具有粗糙表面翅片的傳熱裝置，其特征在于它主要由法蘭(1)、外連接管(2)、蓋板(3)、粗糙表面翅片管(4)、管板(5)、粗糙表面翅片(6)、管道(7)共同連接構(gòu)成，其相互連接關(guān)系為法蘭(1)與外連接管(2)固定連接，外連接管(2)與管板(5)固定連接，蓋板(3)固定連接于傳熱裝置支架上并與管板(5)一起構(gòu)成管外流體流道，粗糙表面翅片管(4)與管板(5)固定連接，粗糙表面翅片(6)與管道(7)固定連接構(gòu)成粗糙表面翅片管，其中的關(guān)鍵是粗糙表面翅片(6)是在翅片的表面加工制造或鑄造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片。
專利摘要本實(shí)用新型是一種具有粗糙表面翅片的傳熱裝置,它由法蘭、外連接管、蓋板、粗糙表面翅片管、管板、粗糙表面翅片、管道共同連接構(gòu)成,其連接關(guān)系為:法蘭與外連接管固接,外連接管與管板固接,蓋板固接于傳熱裝置支架并與管板一起構(gòu)成管外流體流道,粗糙表面翅片與管道固接構(gòu)成粗糙表面翅片管,其中關(guān)鍵是粗糙表面翅片是用各種機(jī)械加工方式或鑄造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片。本實(shí)用新型的粗糙表面翅片的傳熱系數(shù)比光滑翅片高25～40%,使本傳熱裝置傳熱性能顯著提高,可大大減少傳熱裝置體積、省材。
文檔編號(hào)F28D1/03GK2349523SQ9825053
公開日1999年11月17日 申請日期1998年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月16日
發(fā)明者沈文生, 陳烈強(qiáng), 李忠林, 張志強(qiáng), 馬曉茜, 郭文杰 申請人:華南理工大學(xué)