微肋管

微肋管是一種在管內壁面上具有螺旋形微肋的高效無源強化換熱管。微肋管利用其成倍增加的擴展表面積和有利的成核結構，使沸騰和冷凝換熱係數得到大幅度增加，目前已成功套用於空調、製冷等許多行業中。通過不斷深入地研究發現，微肋管對紊流區的單相對流換熱也具有穩定、高效的強化換熱作用。介紹了微肋管的研究現狀、綜合評價，分析了齒高、螺旋角、齒密度、齒頂角、管徑等結構參數對管內冷凝換熱的影響，並介紹了微肋管單向對流實驗裝置。

基本介紹

• 中文名：微肋管
• 外文名：micro-fin tube
• 套用：空調製冷行業
• 類型：換熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

在空調和製冷行業中，強化傳熱有著重要的意。強化傳熱可以提高熱量傳遞效率、減小換熱器體積，從而降低空調和製冷設備的能耗和成本。微肋管最早由日立公司於70年代發明，目前廣泛用於空調及製冷行業中製冷劑的管內沸騰和凝結的強化換熱。微肋管的特點是管內壁面有很多條高度很小並與軸向成一定螺旋角的微肋。雖然
微肋管有著廣泛的套用，但對其換熱性能和強化換熱機理研究較少。Brognaux和Webb研究了普朗特數對微肋管換熱的影響，認為努謝爾數與普朗特數的0.560.57次方成正比。Copetti 所研究的微肋管在Re=20000時可使換熱強化190%，增加阻力70%，而在層流及過渡區內換熱只強化20%。

微肋管的研究現狀

微肋管是管子內表面有許多高度很小並與軸成一定螺旋角度微肋的一種新型換熱管。微肋管最早是由日立公司在20世紀70年代提出，現在被廣泛套用於空調製冷及製冷行業中管內沸騰和凝結的強化換熱。目前此方面的研究是強化換熱領域的一個熱點國內外很多學者和科研機構都在進行研究，也得出了一些科研成果。shikawa等人研究表明微肋管內的翅數與高度影響它的傳熱性能。換熱性能在一定翅數範圍內，隨著翅數、翅高的增加而增加，壓降變化很小。當翅數一定時，螺旋角度增大，相應的引起流體旋轉角度增大，產生較高的阻力，但同時流體擾動增強，有利於強化傳熱。不同幾何結構的微肋管存在最佳的螺旋角度。

吳曉敏等人對4根微肋管內流動沸騰換熱進行了實驗研究。實驗表明流體流經微肋管時，在管內微肋的作用下擾動增強，破壞了傳熱邊界層利於強化傳熱。傳熱係數隨著管內流速和翅高的增加而增加，但是的阻力也增加，要綜合考慮其傳熱性能。

清華大學的孟繼安，過增元，李志等人研究不連續雙斜內肋強化傳熱管，即管內壁面存在不連續的，並與軸線有一定夾角並向兩個方向傾斜內肋。實驗研究發現流體在雙斜內肋的作用在管內特別是在內壁面附近產生縱向渦流和徑向流，從而能顯著的強化傳熱其強化效果是光管的幾倍。根據對流換熱場協同原則對管內流動和換熱進行分析表明，縱向渦流是強化管內對流換熱的有效方式。適用於湍流和過渡區，不但具有很好的強化傳熱效果而且阻力損失較小。

微肋管性能的綜合評價

在評價微肋管性能時，要綜合考慮換熱係數力損失，因為壓損的增加意味著泵功的增加，即能耗的增加.泵功一定時，壓損的增加會導致工質流量的減少，這將部分抵消由改善傳熱帶來的換熱量的增加.因此對微肋管的綜合評價十分重要.常用的評價法之一是比較微肋管單位壓降的換熱係數.
在冷凝器的設計中，對微肋管的要進行綜合考慮，在壓力損失不超過限定值的前提下，儘量選擇換熱能力強的管型，以減小換熱器的整體尺寸和材料消耗.

微肋管結構對管內冷凝換熱影響

隨著對空調系統節能、高效、小型化要求的提高，高效內螺紋銅管開始被廣泛使用。。一般來說，管徑d在4一15 mm之間，齒密度在50一70之間，螺旋角R在6°一30°之間，翅片高度e在0. 1--0.25mm之間，翅頂夾角Y在25°--90°之間。相對於光管，微肋管的結構參數較多，這些結構參數會對換熱產生或大或小的影響，因此微肋管結構對換熱影響的研究為換熱管結構的最佳化設計奠定了理論基礎，從而提高換熱器的換熱能力和空調系統的能效水平。分析了齒高、螺旋角、齒密度、齒頂角、管徑等結構參數對管內冷凝換熱的影響，對國內外研究人員的各種研究成果進行了初步的總結。

齒高的影響

綜合上述研究結果可以發現，各國學者對齒高影響換熱的研究結論是一致的，齒高的增加不僅使換熱面積增加，還減少了冷凝過程的傳熱熱阻，因此提高了換熱能力。但是N ewell和Shah同時指出齒高對流動壓降的影響也很大，特別是當齒高相對於平均液膜厚度較大時。他們指出，當齒高為0. 16 mm時，微肋管的壓降與光管的壓降很接近;當齒高增大到0. 24 mm時，微肋管內的壓降提高了16000，特別是高幹度時，平均液膜厚度較小，過
大的齒高將大大提高壓降水平。因此，齒高的選擇應該綜合考慮換熱和壓降之間的平衡。目前較常見的齒高範圍為0. 021 ~ 0. 025倍管外徑。另外，從上述分析可以得知，對於不同的製冷劑，如R410A和R22，可能存在不同的最最佳化的齒高，對此還需要作進一步的研究。

螺旋角的影響

螺旋角的大小對管內壓降也有較大的影響。角度增加，微肋管的粗糙度加大，動量損失也加大，因此壓降也增加。對R22系統，Chiang} g]發現，相同質量流量時，180螺旋角較00螺旋角的壓降增加1500。而Grahams 對R134a系統試驗，結果顯示00和180螺旋角螺旋管的壓降並沒有明顯的差異。Ito和Kimura發現對於R22系統，螺旋角小於200時，微肋管的壓降與光管壓降非常接近。當螺旋角的角度增加到700後，內螺紋表面可視為完全粗糙面。
對於最佳化的螺紋角，學者們的研究結果差異較大。從上述說明可以看出，最佳化的螺旋角角度與製冷劑類型、質量流量、局部乾度等多種因素相關，研究工作還在進行中。目前工業套用的微肋管的螺旋角多為18°。

齒密度的影響

齒密度的增加增大微肋管的內表面積，同時會加大冷凝液的滯留量，因此正負兩種影響決定了存在最佳化的齒密度;

齒頂角的影響

齒頂角的增加會減少換熱面積，從而減小換熱效果。

微肋管單相對流換熱實驗裝置

實驗在單相對流換熱實驗台上進行。其中，阻力實驗在冷態條件下進行。微肋管段及實驗裝置如圖所示。實驗管材料為紫銅;總長度1220 mm，換熱長度1000 mm。在實驗管前後都設有穩定段;管內走冷水，管外走熱水。冷熱流體的進、出口溫度用銅一康銅銷裝熱電偶測量;管壁溫度用粘結在外壁面上的10對鎳鉻一鎳矽熱電偶
測量。流體阻力損失用壓差變送器測量;測壓孔間的距離1104 mm;每個測壓端面有相互垂直的4個直徑為1 mm的測壓孔，測壓孔通過測壓環與壓差變送器相連以測得端面平均壓力。實驗中所用測量儀表均進行了專門標定，儀表測量值由IMP數據採集板採集，並將數據輸入計算機進行記錄。進行傳熱實驗時，保持管外熱水進口溫度為60℃、流量為1.6 m³/h,通過改變管內冷水的流量來改變運行工況，同時觀察計算機中各測量值的實時變化情況，待換熱達到穩定後，記錄各運行工況的實驗數據。

實驗裝置流程圖

展望

微肋管是一種在管內壁面上具有螺旋形微肋的高效無源強化換熱管.微肋尺寸、微肋螺旋角、管外徑、製冷劑等等對水平微肋管換熱性能的影響的研究在最近的文獻中都有報導.微肋管的研究主要集中在管內沸騰與凝結換熱方面，而在單相對流換熱方面研究較少.

相對於光管，微肋管的結構參數相對較多，這些結構參數的變化會不同程度地影響微肋管的換熱能力;因此微肋管結構對換熱影響的研究為換熱管結構的最佳化設計奠定了理論基礎，從而提高換熱器的換熱能力.

由於微肋管內壁面結構複雜，建模和格線劃分十分困難，目前對微肋管管內湍流換熱的數值研究較少，多數研究是將三維流動簡化為二維軸對稱流動，很難得到管內三維流動的細節.發展可信的三維模擬，將有助於更深入地探討微肋管的強化換熱機理，以及實現對其結構參數的最佳化.。