专利名称：具有粗糙表面翅片的传热装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种具有粗糙表面翅片的传热装置，属传热设备制造技术。
在现有的传热设备中，由于翅片能够增加传热面积，作为扩张表面主要形式之一的翅片已广泛应用于传热设备中用来强化传热设备的传热性能。但现有传热设备中所有的翅片大部分为表面光滑翅片，虽然表面光滑翅片能增加传热面积，然而由于翅片的几何尺寸(长和宽)都有一定限制，不可能使翅片数太多，翅片尺寸不可能太大。因此，传热效果仍不够理想。故需要研究更有效的传热翅片以便在同样的传热需求下，减少翅片用量，减小翅片几何尺寸，既达到最好的节能效果，又能达到省材的目的。
本实用新型的目的就是为了克服和解决现有传热设备中所用的翅片是表面光滑翅片，存在传热效果不理想，而翅片数量又不能太多、太大，否则存在传热设备太大，节能效果差又费材等的缺点和问题，研究设计一种同样传热负荷需求下翅片数少、翅片几何尺寸小、传热效果及节能效果好，又省材的具有粗糙表面翅片的传热装置。
本实用新型是通过下述结构技术方案来实现的具有粗糙表面翅片的传热装置的结构示意图如
图1和图2所示，它主要由法兰1、外连接管2、盖板3、粗糙表面翅片管4、管板5、粗糙表面翅片6、管道7共同连接构成，其相互连接关系为法兰1与外连接管2固定连接，外连接管2与管板5固定连接，盖板3固定连接于传热装置支架上并与管板5一起构成管外流体流道，粗糙表面翅片管4与管板5固定连接，粗糙表面翅片6与管道7固定连接构成粗糙表面翅片管，其中的关键是粗糙表面翅片6是在翅片的表面加工制造或铸造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片；具有粗糙翅片的传热装置的作用原理为加装翅片后，换热设备的传热面积大幅度增大，相应总的传热量有较大的增加，但流体与壁面间的对流传热系数并没有增大。对于以气体作为冷却介质的换热器，设法增加气体侧的对流换热系数则显得十分必要。以空气为例，与水相比，35℃时空气的导热系数是水的1/20，空气的比热是水的1/4，空气的密度是水的1/800。分别用水和空气作为冷却介质，如果传热量相同，冷却介质的温升相同，那么所需要的空气的质量将是水的4倍，空气的体积将是水的3200倍。可见，增加空气侧的对流传热系数是十分有效的强化传热手段。提高对流传热系数的一种有效方法就是改变流道形状，破坏流体边界层的形成和发展。本发明人研究表明，开槽或肋化壁面能够增大对流传热系数。本实用新型提供粗糙表面翅片，该翅片可应用于多种换热设备。使用该种翅片后，将有效增加翅片的对流传热系数，从而在同样传热负荷的需求下，可减少翅片用量，达到节能、省材的目的。当气流经过翅片时，气流会紧贴翅片壁面，形成一层流动边界层。对于层流，沿着流动方向，边界层不断增厚，直到其在流道中心线处混合，达到充分发展。故对于充分发展的层流，其边界层厚度应为管道的半径或1/2流道宽度。对于湍流，沿流动方向边界层也逐渐增厚，当雷诺数足够大而达到充分发展时，边界层的厚度将保持一个特定值。在以对流传热为主的传热设备中，传热热阻主要集中在附着在壁面上的流动边界层。故破坏流动边界层的形成和发展，使其不能愈来愈厚是十分有效的强化传热手段。对于翅片传热，流体在翅片通道内的流动以水力进口段流动为主(即没有达到充分发展)，因此，通过增加壁面粗糙度来破坏边界层的形成和发展，将更加有效地增强翅片的传热性能。在本实用新型中，我们将翅片的表面进行特殊处理，使得翅片表面凹凸不平。当流体流过这些凸出或凹进的部分时，流动边界层的发展受到严重破坏，流体将不断地从翅片壁面上分离，然后又重新附着到流动壁面上。翅片壁面上的凸出或凹进的部分可进行科学分布，使得流体能够恰当地分离和附着，从而大大提高翅片的对流传热系数。这种具有粗糙表面的传热装置可应用于强制对流，也可应用于自然对流。
本实用新型有如下的优点和有益效果(1)传热装置装上凹凸不平粗糙表面翅片能增强传热性能，这一方面由于翅片上形成的凸起部分能够对翅片壁面上的流体边界层进行切割与分离另一方面，当翅片壁面上的流动边界层遭到破坏后，边界层的厚度变薄，表现为粗糙壁面流道内流体的速度分布曲线比光滑壁面流道内流体的速度分布曲线更加平坦。本发明人研究表明以交叉槽翅片为例，其平均对流传热系数比光滑翅片高出25～40％。管道外加翅片后，传热装置的总传热面积比无翅片时增加了几倍或几十倍，而粗糙表面翅片又使翅片的传热系数又提高了25～40％，所以管外流体的对流传热性能得到显著提高。可见，具有粗糙表面翅片的传热装置特别适用于管外流体的对流传热系数比管内流体的流体对流传热系数小得多的场合(2)本传热装置中的翅片为粗糙表面翅片，在翅片表面形成众多的凸起和凹进。在对流传热中，流体的壁面状态对传热起决定作用。翅片表面上的凸起和凹进能够造成边界层内流体的流动分离，加大壁面处流体的湍流度，破坏边界层的形成和发展，从而有效提高流体对流传热系数。当翅片表面上凸起部分的高度介于5～8倍的边界层层流低层厚度时，强化传热的效果十分显著。
下面对说明书附图进一步说明如下
图1为具有粗糙表面翅片的传热装置结构示意图，图2为翅片管结构示意图，图3为开水平槽翅片形状示意图，图4为开竖直槽翅片形状示意图，图5为开交叉槽翅片形状示意图。
本实用新型的实施方式可为如下(1)按
图1、图2所示设计、制造本装置的各部件，其中盖板3、管板5、法兰1均可选用普通碳钢，用常用的机械加工方法制成，外连接管为无缝铜管或铜管，可用冷扎或冷拔而制成。粗糙表面翅片可选用普通铝板或钢板压铸而成，再在翅片表面可用滚压、烧结或开槽等方法制造成表面凹凸不平的粗糙表面翅片，也可直接铸造成凹凸不平的粗糙表面翅片；(2)各部件制造后，便可按上面说明书所述的相互连接关系进行安装连接，其安装步骤为首先将具有粗糙表面翅片紧固连接到管道上，将翅片管连接到管板上，然后将外连接管连接到管板上，进而将法兰连接到外连接管上，最后将上、下盖板连接到管板上，便完成了本实用新型的实施如果换热设备本身是铸造件(如柴油机汽缸，电子散热元件等)，则可先在模具上制造出表面凹凸不平的翅片，然后通过铸造实现整体翅片。
发明人为了验证本发明的优越性，认真做了对比实验，用开槽翅片来模拟粗糙表面翅片的传热性能。实验是在一风洞中进行的，风洞测试段的截面形状为矩形(200mm×80mm)，冷却空气由引风机经过喇叭形风洞入口引入，气流水平地流过试验翅片组，对翅片进行水平冲刷。将待测翅片组装成翅片组，总共测试了四种不同表面形状的翅片组光滑翅片、水平槽翅片(如图3所示)、竖直槽翅片(如图4所示)和交叉槽翅片(如图5所示)。所有槽道均宽5mm，深0.5mm。对四种试验翅片，翅间距均取4、6、8和10mm，故共有16个翅片组。空气流过每个翅片组的质量流量固定为5种0.035、0.058、0.08、0.11和0.14kg/s。翅片长度L与翅间距S之比为25＜L/S＜62.5，翅片高度H与翅间距S之比为6＜H/S＜15。以当量直径作为定性尺寸，实验雷诺数Re为2,000＜Re＜12,000。相对粗糙度(e/Dh)(定义为槽深与当量直径之比)为0.02＜e/Dh＜0.05。
权利要求1.一种包括有法兰、盖板等的具有粗糙表面翅片的传热装置，其特征在于它主要由法兰(1)、外连接管(2)、盖板(3)、粗糙表面翅片管(4)、管板(5)、粗糙表面翅片(6)、管道(7)共同连接构成，其相互连接关系为法兰(1)与外连接管(2)固定连接，外连接管(2)与管板(5)固定连接，盖板(3)固定连接于传热装置支架上并与管板(5)一起构成管外流体流道，粗糙表面翅片管(4)与管板(5)固定连接，粗糙表面翅片(6)与管道(7)固定连接构成粗糙表面翅片管，其中的关键是粗糙表面翅片(6)是在翅片的表面加工制造或铸造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片。
专利摘要本实用新型是一种具有粗糙表面翅片的传热装置,它由法兰、外连接管、盖板、粗糙表面翅片管、管板、粗糙表面翅片、管道共同连接构成,其连接关系为:法兰与外连接管固接,外连接管与管板固接,盖板固接于传热装置支架并与管板一起构成管外流体流道,粗糙表面翅片与管道固接构成粗糙表面翅片管,其中关键是粗糙表面翅片是用各种机械加工方式或铸造而成的凹凸不平的粗糙表面翅片。本实用新型的粗糙表面翅片的传热系数比光滑翅片高25～40%,使本传热装置传热性能显著提高,可大大减少传热装置体积、省材。
文档编号F28D1/03GK2349523SQ9825053
公开日1999年11月17日 申请日期1998年12月16日 优先权日1998年12月16日
发明者沈文生, 陈烈强, 李忠林, 张志强, 马晓茜, 郭文杰 申请人:华南理工大学