專利名稱：具有粗糙表面翅片的傳熱裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種具有粗糙表面翅片的傳熱裝置，屬傳熱設備制造技術。
在現有的傳熱設備中，由于翅片能夠增加傳熱面積，作為擴張表面主要形式之一的翅片已廣泛應用于傳熱設備中用來強化傳熱設備的傳熱性能。但現有傳熱設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，既達到最好的節能效果，又能達到省材的目的。
本實用新型的目的就是為了克服和解決現有傳熱設備中所用的翅片是表面光滑翅片，存在傳熱效果不理想，而翅片數量又不能太多、太大，否則存在傳熱設備太大，節能效果差又費材等的缺點和問題，研究設計一種同樣傳熱負荷需求下翅片數少、翅片幾何尺寸小、傳熱效果及節能效果好，又省材的具有粗糙表面翅片的傳熱裝置。
本實用新型是通過下述結構技術方案來實現的具有粗糙表面翅片的傳熱裝置的結構示意圖如
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共同連接構成，其相互連接關系為法蘭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固定連接構成粗糙表面翅片管，其中的關鍵是粗糙表面翅片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，換熱設備的傳熱面積大幅度增大，相應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并沒有增大。對于以氣體作為冷卻介質的換熱器，設法增加氣體側的對流換熱系數則顯得十分必要。以空氣為例，與水相比，35℃時空氣的導熱系數是水的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，如果傳熱量相同，冷卻介質的溫升相同，那么所需要的空氣的質量將是水的4倍，空氣的體積將是水的3200倍。可見，增加空氣側的對流傳熱系數是十分有效的強化傳熱手段。提高對流傳熱系數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展。本發明人研究表明，開槽或肋化壁面能夠增大對流傳熱系數。本實用新型提供粗糙表面翅片，該翅片可應用于多種換熱設備。使用該種翅片后，將有效增加翅片的對流傳熱系數，從而在同樣傳熱負荷的需求下，可減少翅片用量，達到節能、省材的目的。當氣流經過翅片時，氣流會緊貼翅片壁面，形成一層流動邊界層。對于層流，沿著流動方向，邊界層不斷增厚，直到其在流道中心線處混合，達到充分發展。故對于充分發展的層流，其邊界層厚度應為管道的半徑或1/2流道寬度。對于湍流，沿流動方向邊界層也逐漸增厚，當雷諾數足夠大而達到充分發展時，邊界層的厚度將保持一個特定值。在以對流傳熱為主的傳熱設備中，傳熱熱阻主要集中在附著在壁面上的流動邊界層。故破壞流動邊界層的形成和發展，使其不能愈來愈厚是十分有效的強化傳熱手段。對于翅片傳熱，流體在翅片通道內的流動以水力進口段流動為主(即沒有達到充分發展)，因此，通過增加壁面粗糙度來破壞邊界層的形成和發展，將更加有效地增強翅片的傳熱性能。在本實用新型中，我們將翅片的表面進行特殊處理，使得翅片表面凹凸不平。當流體流過這些凸出或凹進的部分時，流動邊界層的發展受到嚴重破壞，流體將不斷地從翅片壁面上分離，然后又重新附著到流動壁面上。翅片壁面上的凸出或凹進的部分可進行科學分布，使得流體能夠恰當地分離和附著，從而大大提高翅片的對流傳熱系數。這種具有粗糙表面的傳熱裝置可應用于強制對流，也可應用于自然對流。
本實用新型有如下的優點和有益效果(1)傳熱裝置裝上凹凸不平粗糙表面翅片能增強傳熱性能，這一方面由于翅片上形成的凸起部分能夠對翅片壁面上的流體邊界層進行切割與分離另一方面，當翅片壁面上的流動邊界層遭到破壞后，邊界層的厚度變薄，表現為粗糙壁面流道內流體的速度分布曲線比光滑壁面流道內流體的速度分布曲線更加平坦。本發明人研究表明以交叉槽翅片為例，其平均對流傳熱系數比光滑翅片高出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。可見，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比管內流體的流體對流傳熱系數小得多的場合(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。在對流傳熱中，流體的壁面狀態對傳熱起決定作用。翅片表面上的凸起和凹進能夠造成邊界層內流體的流動分離，加大壁面處流體的湍流度，破壞邊界層的形成和發展，從而有效提高流體對流傳熱系數。當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，強化傳熱的效果十分顯著。
下面對說明書附圖進一步說明如下
圖1為具有粗糙表面翅片的傳熱裝置結構示意圖，圖2為翅片管結構示意圖，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。
本實用新型的實施方式可為如下(1)按
圖1、圖2所示設計、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系進行安裝連接，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，便完成了本實用新型的實施如果換熱設備本身是鑄造件(如柴油機汽缸，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，然后通過鑄造實現整體翅片。
發明人為了驗證本發明的優越性，認真做了對比實驗，用開槽翅片來模擬粗糙表面翅片的傳熱性能。實驗是在一風洞中進行的，風洞測試段的截面形狀為矩形(200mm×80mm)，冷卻空氣由引風機經過喇叭形風洞入口引入，氣流水平地流過試驗翅片組，對翅片進行水平沖刷。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。對四種試驗翅片，翅間距均取4、6、8和10mm，故共有16個翅片組。空氣流過每個翅片組的質量流量固定為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。以當量直徑作為定性尺寸，實驗雷諾數Re為2,000＜Re＜12,000。相對粗糙度(e/Dh)(定義為槽深與當量直徑之比)為0.02＜e/Dh＜0.05。
權利要求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)共同連接構成，其相互連接關系為法蘭(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)固定連接構成粗糙表面翅片管，其中的關鍵是粗糙表面翅片(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、管道共同連接構成,其連接關系為: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成管外流體流道,粗糙表面翅片與管道固接構成粗糙表面翅片管,其中關鍵是粗糙表面翅片是用各種機械加工方式或鑄造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片。本實用新型的粗糙表面翅片的傳熱系數比光滑翅片高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F28D1/03GK2349523SQ9825053
公開日1999年11月17日 申請日期1998年12月16日 優先權日1998年12月16日
發明者沈文生, 陳烈強, 李忠林, 張志強, 馬曉茜, 郭文杰 申請人:華南理工大學