不同翅片形式管翅式換熱器流動換熱性能比較

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1、.不同翅片形式管翅式換熱器流動換熱性能比較摘要：隨著制冷空調行業(yè)的開展,人們已經把注意力集中在高效、節(jié)能節(jié)材的緊湊式換熱器的開發(fā)上,而翅片管式換熱器正是制冷、空調領域中所廣泛采用的一種換熱器形式。對于它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率及其整體性能,而且對改良翅片換熱器的設計型式,推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導意義。由于翅片管式換熱器在翅片構造形式和幾何尺寸的不同,造成其換熱性能和阻力性能上的極大差異。本文概述目前國外空調制冷行業(yè)中的普遍采用的幾種不同翅片類型平直翅片、波紋翅片、開縫翅片、百葉窗形翅片的換熱及壓降實驗關聯式及其影響因素，對不同翅片形式的管翅式換熱器的換熱及壓降

2、特性的實驗關聯式進展總結，并對不同翅片的流動換熱性能進展了比較。正確地選用實驗關聯式及性能指標，將對翅片管式換熱器的優(yōu)化設計及其制造提供可靠的依據。關鍵詞：翅片形式；管翅式；換熱器；關聯式；流動換熱性能Study on heat transfer and flow characteristics of fin-and-tube heat e*changers with various fin typesAbstract：With the development of refrigeration and air conditioning, high efficiency, energy savi

3、ng and material saving pact type of heat e*changer is development, as one kind ofpactheat e*changer, fin-and-tubeheate*changerhasa wide application in future. It is necessary to develop pact heat e*changer which is more energy saving and material saving to improve the heat e*changer thermal efficien

4、cy and the overall performance of heat transfer.This paper summaries the heat transfer and pressure drop correlations of different fin surfaces, and the corresponding influencing factors. The heat transfer and friction characteristic of these kinds of fin types are pared, and the results show the di

5、fference of these fin types. The appropriate correlation and evaluation criterion will provide reliable foundation to the design and optimization of pact heat e*changers.Key words：Fin-and-tube heat e*changer; Heat transfer and flow characteristics; E*perimental correlations; parison目錄1 緒論21.1課題背景及研究

6、意義11.2管翅式換熱器簡介11.3管翅式換熱器的特點21.4 管翅式換熱器的換熱過程21.5研究現狀31.5.1國外實驗及模擬研究進展31.5.2國研究現狀和數值模擬41.5.3管翅式換熱器及開展趨勢61.6 管翅式換熱器的不同形式的翅片研究現狀72影響翅片換熱和壓降性能的主要構造因素92.1翅片間距對換熱特性和壓降特性的影響102.2管排數對換熱特性和壓降特性的影響102.3管徑對換熱特性和壓降特性的影響112.4管間距對換熱特性和壓降特性的影響113不同翅片經歷關系式總結及比較123.1 平直翅片經歷關系式的總結123.2 波紋翅片經歷關系式的總結163.3 百葉窗翅片經歷關系式的總結2

7、13.4 開縫翅片經歷關系式的總結244四種翅片經歷關系式比較29結論36參考文獻38致42. . .1 緒論1.1課題背景及研究意義換熱器是國民生產中的重要設備，其應用普及動力、冶金、化工、煉油、建筑、機械制造、食品、醫(yī)藥及航空等各工業(yè)部門。例如，過路熱力系統中的過熱器、省煤器、空氣預熱器、凝汽器、除氧器、給水加熱器、冷卻塔等；金屬冶煉系統中的熱風爐、空氣或煤氣預熱器、廢熱鍋爐等；制冷及低溫系統中的蒸發(fā)器、冷凝器、回熱器等；石油化工工業(yè)中廣泛采用的加熱及冷卻設備等，制糖工業(yè)和造紙工業(yè)的糖液蒸發(fā)器和紙漿蒸發(fā)器，這些都是換熱器應用的大量實例。它不但是一種廣泛應用的通用設備，并且在*些工業(yè)企業(yè)中占

8、有很重要的地位。例如在是有化工工廠中，它的投資要占到整個建廠投資的1/5左右，它的重量站工藝設備總重的40%；在年產30萬噸的乙烯裝置中，它的投資站總投資的25%。由于世界上燃煤、石油、天然氣資源儲量有限而面臨這能源短缺的局面，各國都致力于新能源的開發(fā)，并積極開展預熱回收及節(jié)能工作，因而換熱器的應用又與能源的開發(fā)及節(jié)約有著密切的聯系。在這一工作中，換熱器也充當著一個重要的角色，其性能的好壞也直接影響到能源利用的效益。熱交換器作為一種利用能源與節(jié)約能源的有效設備，在余熱利用、核能利用、太陽能利用和地熱利用等方面也起著重要的作用。隨著我國工業(yè)的不斷開展，對能源利用、開發(fā)的合理性與有效性的要求不斷提

9、高，因而對換熱器性能的要求也日益增加。特別是對換熱器的研究必須滿足各種特殊情況和苛刻條件的要求，對它的研究也就顯得更為重要。因此，在換熱器的生產及研究開發(fā)上除了滿足各種必需的工藝條件之外，對它的綜合性能也提出了更高的要求。1.2管翅式換熱器簡介換熱器是熱力系統的關鍵設備，管翅式換熱器是比較常用的換熱器構造形式。翅片分為單、雙或多排構造。這種形式的換熱器具有構造簡單，便于加工、裝配的特點，廣泛的應用于石油化工、航空、車輛、動力機械、空分、深低溫領域、原子能和宇宙航天等工業(yè)部門。管翅式換熱器的根本構造是由翅片、隔板、封條和導流片組成的通道。它是在金屬平板上放一翅片，然后再在其上放一金屬平板，兩邊以

10、封條密封而組成一個個根本單元。管翅式換熱器的芯體則是由多個這樣的單位組成。如果對各個通道進展不同的疊置和排列并釬焊成整體，即可得到最常用的錯流、逆流、錯逆流管翅式換熱器芯體、管翅式換熱器可組成各種形式的流道，為使流體分布更加均勻，在流道的兩段部均設置導流片，在導流片上開設許多小孔，使流體能夠相互穿通。一般情況下，從強度、熱絕緣和制造工藝等要求出發(fā)，芯體頂部和底部還各留著假設干曾假翅片層。在芯體的兩段配置適當的流體出入口封頭，即可組裝成完整的管翅式換熱器。翅片是管翅式換熱器的最根本的原件，傳熱過程主要是依靠翅片來完成的，一局部直接由板來完成。翅片與隔板的連接均為焊鉗，因此大局部熱量經翅片，通過隔

11、板傳到了冷流體。由于翅片傳熱不隔板是直接傳熱，故翅片又有二次外表之稱。二次傳熱外表一般比一次傳熱外表的傳熱效率低。翅片除承當主要的傳熱任務外，還起著兩隔板之間的加強作用，所以盡管翅片和隔板材料都很薄，但其強度很高，故能承受較高的壓力。1.3管翅式換熱器的特點1、高效節(jié)能：其換熱系數在30004500kcal/m2Ch，比管殼式換熱器的熱效率高35倍。2、構造緊湊：板式換熱器板片嚴密排列，與其他換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積一樣換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的1/5。3、容易清洗拆裝方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時可以翻開清洗，同時由于

12、板面光潔，湍流程度高，不易結垢。4、使用壽命長：板式換熱器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質，膠墊可隨意更換，并可方便在、拆裝檢修。5、適應性強：板式換熱器板片為獨立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同的、工藝的要求。6、不串液，板式換熱器密封槽設置泄液液道，各種介質不會串通，即使出現泄露，介質總是向外排出。1.4 管翅式換熱器的換熱過程在空調中，換熱器的構造采用銅管套翅片而組成傳熱管束，即錫翅片穿在直徑較小的紫銅管上。管翅式換熱器換熱過程：制冷劑(高溫)通過銅管將熱量以熱傳導的方式傳遞給管外的翅片，翅片將熱量以對流的方式傳遞給其外表的的冷空氣(常溫)，通過不停吹入

13、新的冷空氣到達增強冷卻的目的。管翅式換熱器的翅片構造形式對其傳熱性能和阻力性能有很大的影響。管翅式換熱器的翅片型式很多，從最初的平直翅片到波紋翅片、銀齒形翅片、百葉窗式翅片及打孔式翅片等。平直翅片加工制造方便、不易發(fā)生變形及裝配簡單。波紋翅片可使介質的流向不斷改變以促進瑞流，提高傳熱效率，強化換熱，可用于壓力較高的氣體場合本文研究了傾角均勻的波紋翅片及新型的傾角漸增的波紋翅片和前平直后傾角均勾的波紋翅片的圓管換熱器的翅片構造對流體流動和換熱過程的影響。1.5研究現狀國外實驗及模擬研究進展1973年，Rich28實驗研究14種不同構造平翅片，結果說明，在其研究文，翅片間距不影響傳熱效率，單根管子

14、的壓降和管排數無關。1974年，Saboya等29首次在復雜的單排平翅片管換熱器的翅片側利用實驗定量計算局部傳熱系數，總結出翅片外表局部Sh數的分布;得出翅片管上游的局部換熱系數較高，下游的局部換熱系數較低。1978年，McQuiston6得出特定構造參數下的翅片換熱及壓降關聯式。而后*u31模擬研究空調單元中蒸發(fā)器的湍流流動。利用熱線風速儀技術得到平均速度值和流動的湍流參數，由于凝結物的影響，實驗結果會有流動干擾;運用U-e瑞流模型欖擬空調單元空氣流動，得到的結架十分準確，再加上QUICK方法得到的平均速度提供了更加準確的結果。另外，混合網格能快速到達收斂，并很好與實驗結架到達一致。1996

15、年，Rammohan Rao47等實驗研究水平翅片自然對流和輻射換熱的關系。借助干預儀和數偵微分方獲得對流換熱量和福射換熱量，并得到Nu和Re的關聯式。1998年，Abumadi48等人提出前人得到的換熱及壓降關聯式對構造參數耍求過十局限，對28種不同構造參數的翅片管換熱器進展實驗，風速圍為l-20m/s，分析管排數、翅片的厚度、翅片間距以及管排間距等參數對換熱因子與摩擦因子的影響。實驗說明：翅片類型影響換熱因子和摩擦因子，管排數對阻力系數幾乎無影響;翅片厚度越小，傳熱性能越好。同年，Meyer42采用實驗研究了空氣的入口尺寸和出口速度分布都影響換熱器的空氣流動特性。Atkinson等49對百

16、葉窗形式的翅片管換熱器用Star-CD進展了二維與二維數值模擬。1999年，Wang15等提出，通過增加翅片密度并促進流體瑞流，可以增加緊湊型氣-氣換熱器空氣側流體的換熱面積。增加翅片密度形式多樣，例如平翅片、條縫翅片、西葉窗翅片等等。該作者在原有氣換熱器根底上，用三種方法增加條縫翅片，做大量實驗檢測換熱器性能，實驗結果說明：換熱系數和壓降值隨翅片密度的增加相應增大。2001年，Meyer42又對翅片管換熱器的入口處中氣流動損失進展實驗研究，發(fā)現入口交氣流動損失量與通過換熱器的中氣平均速度無關，而與入口處空氣和進口的傾斜角有關;利用實驗結果總結出無量綱壓降報尖系數。在文獻42中，作者對9種構造

17、不的雙金屬螺旋翅符進展了傳熱和阻力性能的分析。水在管流動，交氣垂直流向管子，為獲得傳熱系數采用NTU法，給出了氣側壓降關于幾何參數的關聯式。結來說明，空氣側的傳熱系數比文獻中關聯式大20%左右，;空氣被冷卻得到的換熱系數比空氣被加熱得到的換熱系數大。研究發(fā)現，翅片間距降低，管排數倍加，其余構造參數不變的情況下，空氣側換熱系數降低：針對不同排管的換熱器，以管外徑為均最進徑，Re數變化圍從500到900，翅片間距從l5.0mm降低到7.5mm，空氣側換熱系數會降低大約10%;同翅片間距情形下，管排數從1增加到4，換熱系數會逐漸降低;與順排換熱器相比，叉排換熱器提高了換熱性能。2007年，Sahin

18、等1三維數值模擬研究平翅片管換熱器進口角度和換熱特性的關系。2009年，Naphon50模擬研究波紋片構造參數對溫度和流動分的影響。得出在熱流條件情況下，流體流過波紋片，不斷破壞熱邊界條件：波紋夾角的大小影響換量。所以，V型波紋片是增強換熱和加強換熱器嚴密性的好方法。2010年，Choi41等對34個不同構造尺寸的換熱器進展實驗研究，得出結論：不連續(xù)的翅片換熱器的j因子方程式與式構造尺相關，對于翅片間距從7.5mm變化到15mrn的情況，不連續(xù)平翅片換熱器的j因子比連續(xù)平翅片管換熱器的J因子高6.0%-11.6%。2010印，BoiTajo-Pelaez等44對平翅片管空氣側換熱特性模擬。以前

19、對空氣側換熱特性的模擬只是分析換熱器空氣側，而把翅片與管壁溫度設為定值。該作者模擬的目的是證明只考慮空氣側的情況與同時考慮空氣與水側流動特性的情況存在不同，從數、翅片間距、管徑尺寸、翅片長度和翅片厚度等幾個方面討論，得出換熱值更加準確，更好的預測換熱性能，該文章的模擬效果更接近實際情形。由于設備運行中熱量散失增加，需要研究新方法提高冷凝器的換熱性能。作者研究了在翅片外表開廠角翼處理，這一設計形成的縱向禍流促使冷熱流體的混合，強化了換熱。2012年，Aslam Bhutta43總結CFD在換熱器研究領域的應用以及實現模擬效染所使)U的算法。通過前人的模擬結果可知CTD軟件是展示換熱器性能的有效工

20、具。國研究現狀和數值模擬數值模擬的根底是數值傳熱學，數值傳熱學是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數值方法，通過計算機求解的一門傳熱學與數值方法相結合的穿插學科。數值傳熱學的根本思想是把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場例如速度場，溫度場，濃度場等，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點變量值之間關系的代數方程稱為離散方程。求解所建立起來的代數方程從而獲得求解變量的近似值。數值模擬研究方法主要集中在下面兩個方面：1幾何參數對換熱及流動的影響；2雷諾數 Re 對換熱及流動的影響。通過數值模擬可以得到整個流場的根本信息，再通過計算得到想要的性能參數如 Nu、壓

21、差 p、換熱因子 j、阻力因子f 等等，對這些數據進展比照觀察，得到所要結果。王先超、水黎明40等人，通過對波紋翅片數值模擬的分析，得出了影響波紋翅片換熱因子j和阻力因子f 的因素，同時把不同雷諾數Re下的波紋翅片與矩形翅片即平直翅片、矩形開縫翅片平直翅片開縫得到進展了分析比較。結果發(fā)現：翅片厚度對波紋翅片的換熱因子j 和阻力因子f 影響不大，但翅片間距sf對波紋翅片的阻力因子 f 影響較大；雷諾數 Re 在 4002000 圍時，波紋翅片的換熱因子 j 是同雷諾數下矩形翅片的 228 倍之間，阻力因子 f 是同雷諾數下矩形翅片的 284 倍；雷諾數在 200010000 圍，波紋翅片的換熱因

22、子 j 是同雷諾數下矩形翅片的 228 倍之間，阻力因子 f 是同雷諾數下矩形翅片的 354 倍；波紋翅片與矩形開縫翅片的阻力因子 j 隨雷諾數的變化很小，兩者非常接近。媛26等人以 3 種常見的翅片類型(平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片)為研究對象，利用標準k-雙方程湍流模型求解三維Navier-Stokes方程，采用計算流體動力學(CFD)方法模擬和分析了板翅式換熱器單通道中，不同構造參數和操作參數對翅片外表換熱與流動的影響，并將不同實驗參數下的數據制作成曲線圖表，發(fā)現3種翅片的換熱因子 j 和阻力因子 f 隨雷諾數 Re 的增大而遞減，這與他們的實驗24得出的結論是一致的，這就說明了：將數值

23、模擬方法應用于翅片外表換熱和流動特性研究是可行的。然后進一步分析了波紋翅片的波幅與翅片間距對其外表換熱與流動性能的影響規(guī)律，結果發(fā)現：波紋翅片的波幅越大、翅片間距越大，換熱因子 j 越大，即傳熱效果越好。最后把3種翅片在一樣操作條件下的j因子和f因子進展比較發(fā)現：鋸齒翅片和波紋翅片的傳熱性能優(yōu)于平直翅片，說明改善換熱器換熱外表的幾何形狀對板翅式換熱器的性能影響至關重要。王維斌、傅憲輝、吳茂剛25等人以波浪形翅片和人字形翅片為研究對象，在合理簡化條件下給出了物理模型和數學模型，通過對不同進口風速下翅片通道的換熱和流動特性進展了數值模擬研究。通過對傳熱系數，Nu數，壓降以及渦量分布的比照分析，結果

24、說明：波紋翅片改變了流體的流向，增加了換熱面積，增強了流體擾動，由于漩渦的形成與別離，減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)開展，使其換熱特性得到有效強化；同時也增大了阻力損失，但是換熱增加的幅度要大于阻力增加的幅度。隨著風速的增加，翅片外表的換熱系數、Nu 數以及壓降也隨之增加。在一樣的模擬條件下，人字形翅片的換熱性能高于波浪形翅片，但是阻力損失卻相差不大，波浪形翅片在減少流動損失方面沒有很大的優(yōu)勢。兩者流動與傳熱特性的差異，主要是因為翅片流場中漩渦的形成與脫落存在差異。黃小輝、畢小平27等人通過建立一個板翅式機油散熱器冷卻空氣側波紋翅片通道的穩(wěn)態(tài)湍流數學模型。作者以波紋形翅片外表為研究對象，利用 F

25、luent 軟件，進口條件設置為流量進口，出口條件為壓力出口，翅片外表和隔板設置為壁面，并在進出口處分別設置延伸段來使流場充分開展。采用標準 k-湍流模型和 SIMPLE 算法求解三維Navier-Stokes方程，模擬和分析了板翅式散熱器雙通道不同參數對翅片外表傳熱與流動阻力的影響，發(fā)現：阻力系數隨著進口流速的增大而減小。通過分析得到了阻力系數與平均流速的擬合函數，計算結果與實驗數據根本吻合，更進一步說明 CFD 方法的可行性?？傊晒┦褂玫亩喾N翅形 j 因子和 f 因子數據已有不少，但可供設計計算使用的擬合關聯式卻很有限因此，應用計算流體力學(CFD)，流動可視化技術和模擬測試來研究翅片

26、換熱和流動的本質，并建立 j 因子和 f 因子數據庫將是今后十分重要的工作。從上述的文獻綜述可看出，大量學者對翅片管換熱器的換熱特性進展研究并取得了一定的成果，但還存在如下兒個問題：(1)目前對平翅片管換熱器的流動與換熱特性研究得比較多，對波紋翅片管換熱器的研究還不夠完善，或者說針對波紋翅片管換熱器的換熱機理研究不夠;(2)多數文獻中針對管排數較少的翅片管換熱器研究，而對多管排形式下的翅片管換熱器研究較少;(3)目前對波紋翅片管換熱器外表的流動與換熱特性的研究主要集屮在實驗研究方面，由于其構造的復雜性，數值模擬工作開展的較少。然而實驗只在一定圍對換熱及肌力特性進展研究，獲得具有很大局限性的經歷

27、關聯式，對于多管排形式下的換熱器中各管區(qū)域的換熱特性不能進展細致的研究。管翅式換熱器及開展趨勢20世紀60年代以前，普通的管翅式換熱器多采用外表構造未做任何處理的平翅片，這種形式的翅片除增大換熱面積來到達強化傳熱的效果以外，再無其他強化傳熱作用。直至目前，這一方法仍是所有各種管式換熱面強化傳熱方法中運用的最為廣泛的一種。管翅式換熱器是人們在改良管式換熱面的過程中最早也是最成功地發(fā)現之一。它不僅適用于單相流體的流動，而且對相變換熱也有很大的價值。通過調整換熱器的翅片間距，設計成為變翅片間距，實現構造優(yōu)化，并對其換熱性能與改良前換熱器進展比照計算，提高了換熱器的傳熱系數。本方法適用于將該換熱器用于

28、低溫制冷系統中的蒸發(fā)器。當氣流通過蒸發(fā)器時，由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管外表沉積，空氣由于除濕作用相對濕度降低，沿氣流方向翅片盤管外表結霜量是遞減的，如果采取變片距構造，可以在結霜條件下保持其較高的傳熱效率，并延長其沖霜時間。當蒸發(fā)器采用變翅片間距構造時，實際上已構成了翅片的錯列分布，當空氣橫掠錯列翅片時，翅片的交織分布使得上游翅片對下游翅片有繞流作用，由于前面翅片的繞流，翅片的前半局部換熱加強，后面的翅片的分布又使得流道變窄，流速提高，翅片后半局部的換熱也得到強化。通過變翅片間距的構造改良，冷風機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下，在結霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數，且采

29、用變翅片間距構造的冷風機比等翅片間距構造冷風機的傳熱系數提高了9.8，且傳熱面積有所提高，通過提高傳熱系數和傳熱面積從而到達強化傳熱的目的。加強管流體流動，管壁加工變螺距螺紋。在不增大整體設備尺寸的前提下，增加其外表換熱面積，加強管流體的擾動，在原有換熱器的管壁上加工變螺距螺紋。當管工質換熱系數較大而管外工質換熱系數較小時，管外的對流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴展外表，對于縮小換熱器體積，提高換熱器效率有很重要的作用。目前，已經開發(fā)出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開槽條形片、裂齒矩形翅片等等。管外表積的增大主要集中在異型管的開發(fā)方面，綜觀各種不同形狀的強化管，其共同

30、特點是在兼顧壓降的同時，傳熱面積都有不同程度的增加，并通過兩種機理提高其傳熱系數進展強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數提高的最主要因素，它產生于靠近管壁的層流底層，并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙以及規(guī)則出現的溝槽、凸肋，會破壞貼壁層流狀態(tài)，抑制邊界層的開展。同時溝槽和凸肋對流體的限流作用有助于邊界層的減薄，而繞流作用使流體產生軸向旋渦，可致使邊界層別離，流體主體徑向溫度梯度減小，有助于熱量傳遞的進展。在已加工好的管壁部加工變螺距螺紋，不但可以擴大管子的外表積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，部有螺紋所以壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管的制冷劑的流態(tài)變成紊流，從而提高管對流換熱系數

31、。同時，因為采用變螺距，沿著流體流動方向螺距從大變小，這樣可增強流體的擾動，強化流體的換熱系數。1.6管翅式換熱器的不同形式的翅片研究現狀翅片的形式，到目前為止一出現以下幾種：平直翅片、多孔翅片、鋸齒翅片、波紋翅片、釘狀翅、百葉窗翅片、片條翅片等。常用的有平直翅片、百葉窗翅片、條縫翅片和波紋翅片。國外研究現狀：1平直翅片Rich28發(fā)現翅片間距對傳熱系數有著顯著的影響，而管排數對空氣壓降幾乎沒有什么影響。Sparrow31在研究此問題時指出，邊界層的開展是制約但排灌換熱特性的重要因素。Torikoshi29對板間通道進展了三維數值模擬，發(fā)現只要翅片艱巨足夠小，管子后漩渦江北翅片的壁面效應所以只

32、，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。Ricardo51也對板間的流體行為進展了三維模擬，他借助可視化實驗技術，提醒了翅片間距對流動及傳熱行為的不用影響趨勢，對于一定的約束條件，翅片間距存在強化傳熱的最正確值。2波紋翅片及開縫翅片Bemard30對波紋翅片通道傳熱機理進展研究，發(fā)現存在臨界Re，管排數對傳熱影響趨勢與平直翅片相反，但變化的量值壁平直翅片管束要小得多。Goldstein31采用質熱比較技術進展研究，認為波紋翅片的傳熱比平直翅片提高45%。Nakayama31對3種構造的開縫翅片進展實驗研究，得到了傳熱和流阻的關聯式。DeJong33等人研究發(fā)現，流體通過條縫后漩渦首先在下游出現，隨著Re

33、的下降而下降。3百葉窗翅片Fiebig等人52采用漩渦發(fā)生器強化傳熱，當攻角為45時，傳熱可提高20%左右，阻力比沒有漩渦發(fā)生器時增加了10%。Torri等人在Fiebig等人的根底上，進一步安裝135起渦器，實驗發(fā)現阻力將降低34%55%。Leu等人對橢圓管、圓管百葉窗換熱器進展了數值模擬研究，結果說明管子背風側的換熱惡化，百葉窗的窗片前緣效應在強化傳熱中起到了重要的作用，比照橢圓管與圓管的總體換熱行為，發(fā)現橢圓管的強化傳熱能力沒有人們以前預想的好。國翅片的開展現狀：1平直翅片康海軍9對9種平直翅片管的傳熱與阻力進展了實驗研究，發(fā)現翅片艱巨對傳熱的影響依賴于臨界雷諾數Re。對于層流，翅片艱巨

34、增加，換熱下降，阻力減少，且2排管的性能優(yōu)于3排和4排。何江海則進展雙排管整體翅片的數值模擬，得到了速度與壓力場分布，氣體速度在0.53.5m/s，對流給熱系數及壓降均隨流速呈線性增長。何雅玲46等人采用樹枝模擬方法研究了多排管束管子縱橫向間距對傳熱的影響，認為傳熱隨其縱橫間距的增大而減小，進一步場協同原理總體平均分析外表，橫向管距越小，縱向管距越大，場協同性越好2波紋翅片辛榮昌19的研究說明，翅片艱巨的影響受控于管排數，翅片艱巨越小，阻力系數f越大，而且管排數對阻力系數的影響很小。Wang15的研究說明，翅片間距對傳熱的影響忽略不計，但對阻力影響較大，與平直翅片相比，傳熱提高了55%70%，

35、壓降增大66%140%。恩澤20的研究發(fā)現，從單位體積或單位阻力換熱量來說，翅片間距為3.263.33mm波紋翅片綜合強化傳熱性能較好。對于強化傳熱的機理，一般認為，波紋翅片可以降低臨街Re，引入緋聞太流動提高了流體微元的局部混合及分布的橫向均勻性。3百葉窗翅片智45采用Fluent軟件模擬雙排管弧形百葉窗翅片片厚、翅片間距、翅片寬度對換熱量及傳熱j銀子的影響。結果說明，迎風側的強化傳熱高于被背風側。翅片跨度變化對總體換熱量幾乎沒有什么影響，翅片間距變大會使整體換熱量降低，因為換熱強度的微弱提高不能補償單位管長換熱面積的下降造成的傳熱損失，這說明采用小間距薄翅片是一種強化傳熱的措施，但同時也給

36、帶來了翅片剛度的下降及管翅間接熱阻上升的問題。(4) 開縫翅片Wang15研究了12種開縫翅片構造，發(fā)現翅片間距對傳熱和壓降有顯著影響。管排數為1時，翅片艱巨減小傳熱增大。管排數大于4時，翅片間距對傳熱壓漿的影響趨勢相反。渦旋的脫落及渦旋的震蕩效應是強化傳熱的根本原因。Du對7.52mm管徑的研究說明，當Re2000時，單排管換熱性能大于多排管。Tao53基于場協同理論，通過數值模擬研究，根據翅片背風側場協同能力較弱，而前緣的較好，提出了前疏后密的新構造，在阻力幾乎不上升的情況下，傳熱可提高20%以上。開縫翅片利用連續(xù)外表來一直邊界層的增長及沖條的前緣效應來強化傳熱，但目前多沖縫角與片寬還沒有

37、更深入的研究。2影響翅片換熱和壓降性能的主要構造因素2.1翅片間距對換熱特性和壓降特性的影響對于平翅片：在低雷諾數ReDc5000的情況下，翅片間距對換熱系數的影響較小可以忽略。當管排數(N4)時候，空氣流通過換熱器時，將產生周期性的變化，并且產生渦流。較大的空氣流速和較大的管排數將造成沿翅片的渦流出現，因此這時翅片間距的對換熱系數的影響可以忽略不計。Torikoshi29etal(1994)曾對單管平翅片進展了3D數值分析，他們的研究發(fā)現當翅片間距足夠小，如：Fp/D=0.17的時候，在管子后產生的渦流將被抑制，整個流場將保持平穩(wěn)和層流的狀態(tài);但當Fp/D=0.3的時候，在管子后的渦流的橫向

38、寬度將顯著增加。由此也證實了實驗研究的正確性。而對波紋形翅片;翅片間距對換熱因子的影響可以忽略不計。對于連續(xù)式翅片(條縫形翅片和百葉窗翅片);由于兩者雖然在換熱機理上一樣，但其換熱特性與壓降特性也有不同之處。翅片間距對條縫形換熱器的換熱及壓降特性有顯著地影響：當N=1時，換熱特性隨著翅片間距的減小而增大;當N4時，翅片間距對換熱的影響正好相反。這主要與空氣通過換熱器的流型有關，當到達臨界雷諾數時，連續(xù)外表將造成渦旋脫落，通過渦旋的自身振蕩可以加強流動換熱。對百葉窗式翅片：在干工況下，翅片間距對壓降特性的影響相對較小;而在濕工況下，翅片間距對換熱性能的影響很小，然而翅片間距對壓降性能有顯著的影響

39、。例如：翅片間距Fp=1.2mm的換熱器要比Fp=2.5mm的換熱器壓降大30%50%。2.2管排數對換熱特性和壓降特性的影響對于平翅片：對于管排數N=1，2，or4時，當ReDc3000時，管排數對換熱的影響將減小。在高雷諾區(qū)，空氣流速與溫度的在換熱器部的分布，由于渦流的產生和脫落，而變得不穩(wěn)定。因此將產生高的換熱系數，并且管排數對換熱的影響逐漸減弱。對于波紋形翅片：1)對錯排管布置，低雷諾數下管排數沒有對換熱系數和摩擦系數有明顯的影響;而在高雷諾數下，換熱系數會隨著管排數的增加而增加。2)對于順排管布置，在低雷諾數下換熱系數會由于邊界層厚度的增加而減小;而在高雷諾數下，換熱系數會隨著管排數

40、的增加而增加。連續(xù)式翅片(條縫形翅片和百葉窗翅片)：對于條縫形翅片：當Re1000時，第一排管的換熱性能略低于其它的管子。這是由于渦流的脫落造成。由Wang17etal對緊湊條縫構造管排數為1、2、3換熱器的研究發(fā)現，管排數對摩擦因子的影響相對較小。但是Re1000時，管排數的影響十分小。2)對于百葉窗形翅片;當ReDc2000時，管排數的影響相對較小。2.3管徑對換熱特性和壓降特性的影響對于平翅片：對于單排管和雙排管，Dc=8.51mm時的換熱系數比Dc=10.23mm的稍高;但Dc=10.23mm的壓降卻比Dc=8.51mm的要大10%15%。管徑越大的，造成的管后的無效面積也越大。換熱系

41、數隨著換熱管管徑的減小而增大。而對于其它的翅片類型(波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片)，采用小管徑的換熱管，同樣可以減小管排的拖曳作用，同時增大管外換熱系數。如：對百葉窗翅片，當迎面風速Vfr1.5mm/s時，采用小管徑的多排管構造有利于提高換熱器的換熱性能，并卻能夠減小10%的壓降損失。2.4管間距對換熱特性和壓降特性的影響對于平翅片：實驗發(fā)現縱向管排間距Pl=22mm的壓降與Pl=19.05mm的壓降差異不大，管排間距對換熱特性和壓降特性的影響有大。對連續(xù)式翅片外表的研究發(fā)現，百葉窗翅片，在干工況下縱向管排間距Pl=22mm和P1=19.05的換熱特性差異不大，但Pl=22mm的壓降損失

42、要比Pl=19.05mm的壓降失大6%12%，如：雷諾數Re=1000時，Pl=22mm的摩擦系數要比Pl=19.05mm的摩擦系數大28%;而雷諾數Re=5000時，Pl=22mm的摩擦系數要比Pl=19.05mm的摩擦系數大52%。在濕工況的情況下，管排間距越大，越有利于凝結水的排放，而使換熱器的壓降損失降低。3不同翅片經歷關系式總結及比較3.1 平直翅片經歷關系式的總結管翅式換熱器有很多種不同的翅片形式，比方波紋翅片、百葉窗翅片和開縫翅片等。強化翅片外表相比較平直翅片來說能夠顯著增強換熱系數，但是平直翅片仍然應用的最為廣泛，這是因為平直翅片在其長期運行過程中的可靠性和低阻力特性。在過去很

43、多年許多研究者致力于研究平直翅片的換熱特性和阻力特性，Wang1-5等人從1971年開場在這方面做出了很多有影響的工作。圖1是平直翅片翅管式換熱器的簡圖。圖1 平直翅片翅管式換熱器簡圖關于以錯排方式排列的平直翅片換熱器換熱特性和阻力特性的最早發(fā)表的經歷關系式是由McQuiston提出的6，但是Gray和Webb7指出其摩擦因子的預測能力非常有限。Gray和Webb7的經歷關系式對摩擦因子的預測能力有了很大的提高，而換熱經歷關系式主要還是McQuiston6提出的經歷關系式的容。需要指出的是Gray 和Webb7的經歷關系式主要圍是較大的管徑、較大的橫向管間距、較大的縱向管間距和較多列數的管束。

44、其關于因子的關系式為7：3-13-2把Gray和Webb7的經歷關系式用于較小的管徑結果并不好。因此Wang等對較小管徑的換熱器經歷關系式進展了修正1，如下：3-3其中，是基于tube collar diameter的雷諾數。Wang1-5等人指出，小管徑、小縱向管間距和小橫向管間距的翅管式換熱器現在越來越流行，這是因為它能夠顯著提高熱工水力特性和節(jié)約能源。但是，以前發(fā)表過的關系式大局部是基于管徑較大的管子，比方說管徑為9.52mm，12.7mm和15.8mm。而對于較小的管徑比方說7.94mm，7mm和6.35mm的數據根本沒有。文獻8提供的空氣壓縮機中冷器的管徑為8mm，10mm，12mm

45、和14mm。Wang等人在文獻2中給出以下經歷關系式：對于管束列數時，3-43-53-6對于管束列數時，3-73-83-93-103-11摩擦因子的經歷公式為：3-123-133-143-15Wang 等人14和 Rich28都指出換熱器管束為4列時，翅片距對于平直翅片翅管式換熱器的換熱效果的影響很小。但是，當或2并且時，換熱系數隨著翅片距的減小而增加，當時，翅片距對換熱效果的影響可以忽略。當并且時，翅片距對換熱系數的影響可以忽略。當管束列數較大翅片距較小時，在低雷諾數區(qū)域管束列數對換熱效果的影響尤其顯著。而管束列數對摩擦因子的影響是很小的。當翅片距約為1.2mm時，管徑對換熱系數的影響是非常

46、小的3。Wang等人還對潮濕環(huán)境下的翅管式換熱器進展了研究4。在潮濕的工作環(huán)境，翅片的外表溫度通常低于露點溫度，因此濕蒸汽會在翅片上凝結。Wang 等人.指出因子對于進口的相對濕度相對地不敏感，因此因子的經歷關系式里沒有考慮進口環(huán)境的影響。但是進口環(huán)境對摩擦因子的影響與對換熱效果的影響相反，對于小翅片距進口環(huán)境對摩擦因子的影響很大。相對濕度對寧Fanning摩擦因子的影響在摩擦因子經歷關系式里由冷凝膜condensate film的雷諾數來表示。因子的經歷關系式為：3-163-17寧Fanning摩擦因子的經歷關系式為：3-183-19(3-20)(3-21)3-22在文獻5中，Wang等人指

47、出，在低雷諾數時，平直翅片管翅式換熱器的最大因子發(fā)生在較大的管子列數和較小的翅片間距；試驗數據說明管束列數對因子的影響很小。對于6列管子的換熱器，當雷諾數低于2000時，換熱系數有了很大的減小，而當雷諾數在2000到7500之間時，管束列數的影響消除了；對于平直翅片管翅式換熱器，翅片的厚度對于因子和因子的影響都可以忽略。其經歷關系式為：3-233-24在國，康海軍9研究了3種翅片間距分別為2.0mm、2.6mm和3.2mm和3種管束列數分別為2、3、4的9個平直翅片管翅式換熱器的換熱和阻力特性。通過試驗康海軍9-19指出在(23)103時，隨著翅片距的增加，換熱系數是增加的，并且隨著的增加，翅

48、片距對換熱效果的影響逐漸增強。在一樣的數下，翅片距越小，阻力系數越大；在一樣的翅片距下，隨著數的增加，阻力系數曲線逐漸趨于平坦?？岛＼?-19還對管數列數的影響進展了分析，他認為5604.5104圍，一樣翅片距下，2列管束的換熱性能優(yōu)于3列管束和4列管束，而3列管束和4列管束的換熱性能沒有明顯的差異；在一樣的翅片距下，不同的管束列數的阻力系數相當接近，在工程計算所允許的誤差圍，可以認為管束列數對阻力系數沒有什么影響。最后康海軍給出了換熱和阻力的關系式，如下：3-253-26何國庚等10分別對16列、26列和32列的平直翅片空氣冷卻器進展了實驗，指出風速對風側阻力的影響并不一樣：在較少管束列數時

49、，風速的影響顯著些；而隨著管束列數的增加，風速的影響也趨向穩(wěn)定。何江海在文獻11中對平直翅片管翅式換熱器進展了數值分析。歐陽新萍在文獻12和文獻13討論了管束以順排方式和錯排方式對換熱器換熱特性和阻力特性的影響。對上述公式進展比較，如表1所示，發(fā)現表1中公式2對于平直翅片管翅式換熱器的換熱特性和阻力特性描述的最好。3.2 波紋翅片經歷關系式的總結波紋翅片是最常見的強化翅片形式。波紋翅片有兩種形式：人字形波紋翅片和光滑波紋翅片，如圖2所示：a人字形波紋翅片b光滑波紋翅片圖2 波紋翅片示意圖由于空冷器的熱阻主要是在空氣側，它占了熱阻的85甚至更多。因此，為了有效地提高換熱效果和減小空冷器的尺寸和重

50、量，常常用到強化換熱外表。波紋翅片是用來提高換熱效果的幾種常用翅片形式之一。波紋翅片外表能夠延長空氣流動的路徑，因此，相比較平直翅片來說有更好的換熱效果。Wang等人對管束列數和翅片的排列形式進展了研究14。當管束以錯排方式排列時，因子隨著雷諾數的增大而減小，并且除了管束為1列之外因子隨著管束列數的改變并沒有變化。1列管束的因子相比多列管束來說較低，這是因為實際上1列管束并沒有以錯排方式來排列。因此1列管束的因子比多列管束的因子低10到20。對于2列、3列和4列管束來說，當雷諾數小于900時，試驗數據顯示隨著管束列數的減少換熱系數稍稍有點增大。當雷諾數大于900時，換熱系數隨著管束列數增大而增

51、加。其原因是在高雷諾數區(qū)域時，下游空氣能夠混合的更好。當雷諾數減小時，下游空氣的擾動減小甚至消失，在圓管后面就形成漩渦。這樣管束列數的影響就顛倒過來。同時試驗數據說明翅片距對換熱系數幾乎不起作用。對于管束以順排方式排列時，管束列數對因子的影響很小，然而相比較錯排方式，管束列數對換熱系數的影響卻很大。在低雷諾數時，換熱系數先隨著管束列數的增加而減小，在高雷諾數區(qū)域，管束列數的影響幾乎可以忽略，臨界雷諾數大概為2000。以順排方式排列的傳熱特性與以錯排方式排列換熱器換熱效果不同有兩個原因：1在低雷諾數區(qū)域傳熱邊界層增加，并且在高雷諾數區(qū)域傳熱邊界層被破壞，2較小的旁通空氣流量。文獻14還指出，波紋

52、翅片的傳熱效率相比較平直翅片的換熱效率增加了55到70，但是摩擦因子惡化的程度更高，增加了66到140。文獻給出關于因子和因子的經歷關系式為：3-273-28Wang等人對較小管徑的波紋翅片管換熱器15和較大管徑的波紋翅片管換熱器16進展了研究，給出了相應的換熱效果和阻力特性的經歷關系式。較小管徑波紋翅片管換熱器的經歷關系式如下15：3-293-303-313-323-333-343-353-363-37較大管徑波紋翅片管換熱器的經歷關系式如下16：3-383-393-403-403-413-42文獻17給出了管束以不同排列方式分布的波紋翅片管換熱器換熱特性和阻力特性的經歷關系式，如下：當管束

53、以錯派方式排列，1，2時，3-43當，1，2時，3-44當 3時，3-453-46對于管束以順排方式排列，關于因子和因子的經歷關系式為：當，4時，3-47當，2，3時，3-48當，2，3，4時，3-493-50其中，是指相對翅片面積的摩擦系數。Wang等人通過對人字形波紋翅片進展試驗研究18，指出隨著波紋翅片傾角的增大換熱效果顯著增強，但是相應地壓力損失也特別的高，這也是商業(yè)所用的波紋翅片傾斜的角度一般不會超過20的原因。文獻18給出的經歷關系式為：當時，(3-513-523-533-543-553-563-573-583-59當時，3-603-613-623-633-643-653-663-

54、67在國，辛榮昌19對不同管束列數分別為2、3、4及不同翅片間距分別為2.0mm、2.6mm和3.2mm的9個三角形波紋翅片管換熱器進展了傳熱及阻力特性試驗。通過試驗辛榮昌19指出管束列數不同時，翅片間距的影響規(guī)律是不同的。2排管時，翅片間距越小數越大；3排管時翅片間距的影響很小；而對4排管時，當數較高時，翅片距為3.2mm時明顯高于翅片距為2.0mm和2.6mm時的值，但在小數時3種翅片距的差異減小。翅片距為2mm的數與一樣管束列數下其他兩種翅片距的數的差異比平直翅片時的差距要小一些。而從阻力特性來看，翅片距越小阻力系數越大。辛榮昌19還對管數列數的影響進展了分析，他認為當翅片間距較小時2m

55、m和2.6mm，2列管束的數明顯高于3列和4列管的值，當翅片距較大時3.2mm，管束列數的影響減小。從阻力特性來看，翅片距為2mm時，2列管束的阻力系數明顯高于3列和4列管束時的值，而對其他兩種翅片距，管束列數的影響很小。最后辛榮昌19給出了換熱和阻力的關系式，如下：3-683-69恩澤等20對表冷器的翅片間距對換熱的影響進展了研究，指出對6列管波紋翅片表冷器，在常用翅片距2.43.4mm圍，不管是從單位體積換熱量還是從單位阻力換熱量來衡量，間距為3.263.33mm時，其性能都是較好的。國在波紋翅片管換熱器數值計算21-22與性能分析23-24上也進展了一定的研究工作。對上述公式進展比較，如

56、表2所示，發(fā)現表2中公式2對于波紋翅片管翅式換熱器的換熱特性和阻力特性描述的最好。3.3 百葉窗翅片經歷關系式的總結為了有效的提高管翅式換熱器的整體效果，通常也采用非連續(xù)外表來進展強化傳熱，百葉窗翅片就是非連續(xù)外表的代表形式。百葉窗翅片可應用到汽車方面，比方說散熱器、冷凝器和蒸發(fā)器等，在住宅用空調系統方面也有廣泛的應用。百葉窗翅片能夠截斷和更新空氣流動的邊界層，因此相比較平直翅片能夠得到一個較高的換熱系數。圖3是百葉窗翅片的示意圖。圖3 百葉窗翅片示意圖Wang等人在文獻34中對百葉窗翅片提出了如下的經歷關系式：當時，3-703-713-723-733-74當時，3-753-763-773-7

57、83-79摩擦因子的關系式如下：當時，3-803-813-823-833-84當時，3-853-863-873-883-893-90對于典型的空氣調節(jié)換熱器，例如風機盤管機組或者蒸發(fā)器等，他們外表的溫度有可能工作在相對應的露點溫度之下，熱量傳遞和質量傳遞同時在外表發(fā)生，并且水冷凝也會發(fā)生?？諝饬魍ㄟ^換熱器與水冷凝相結合使流動形式變的非常復雜。因此在除濕環(huán)境下換熱特性和阻力特性有可能會發(fā)生顯著的變化。Wang等人對這種工況下的換熱特性和阻力特性進展了研究，并給出了如下的經歷關系式16：3-913-923-933-943-953-963-973-983-99Wang等通過試驗研究，在文獻15中指出

58、，當雷諾數小于2000時，因子隨著管束列數的增加而減?。划斃字Z數大于2000和管束列數大于1時，因子對于管束列數來說相對獨立。這是因為當雷諾數較小時，下游的擾動趨于消除，并且在圓管后面有漩渦形成。因此當雷諾數小于2000時，管束列數對換熱系數有顯著的影響，六列管的換熱系數有顯著的減小。當雷諾數大于1000時，翅片距對換熱系數的影響可以忽略；當雷諾數小于1000時，換熱效果隨著翅片距的減小而減弱。文獻28給出了關于Stanton 數和因子的關系式：3-100當時，3-1013-102當時，3-103其中，是基于翅片距的雷諾數。慕瑾等29對3種不同管束列數的百葉窗翅片管換熱器進展了研究，指出在一樣

59、構造的換熱器中，管束列數越少，對流換熱的換熱系數越大。在傳熱量一定的情況下，換熱器設計的管束列數不宜大于3。選擇文獻25中的公式，和試驗數據進展比較，如表3中所示。3.4 開縫翅片經歷關系式的總結開縫翅片是另一種常用的非連續(xù)強化換熱外表。這是因為沿流動方向上翅片的邊界層厚度是增加的，從而導致換熱系數沿流動方向減小。在翅片上開縫可以破壞翅片上的邊界層，減小邊界層的厚度，起到強化換熱的作用。圖4是開縫翅片的示意圖。圖4 開縫翅片示意圖關于商用開縫翅片換熱器的試驗數據公開發(fā)表的非常有限，Nakayama和*u31在八十年代初對3種不同類型的開縫翅片進展了試驗研究，基于他們的試驗數據，歸納出以下經歷關

60、系式30：3-1043-1053-1063-1073-108由于Nakayama和*u31的關系式的預測能力是很有限的，Wang等人18又對12種不同的開縫翅片進展了試驗研究，指出開縫翅片換熱器的換熱效果隨翅片距的減小而增強，但是當管束列數不小于4時，其結果剛好相反；換熱效果隨管束列數的增加而減弱；摩擦因子與管束列數的大小幾乎無關。并在Nakayama和*u31的關系式的根底上又提出了一個更廣圍的經歷關系式：3-1093-1103-1113-1123-1133-1143-115然而對開縫翅片的換熱特性和阻力特性公開發(fā)表的文獻極少，Wang等人34又通過對更多的開縫翅片形式進展了試驗研究，在文獻

61、18和文獻34中提出了更加完善的經歷關系式。在文獻34中，Wang等人34認為對于管束列數為1時，換熱效果隨翅片距的減小而增強，但是當管束列數大于2時，其結果剛好相反；當時，換熱效果隨管束列數的增加而急劇減弱；當時，管束列數對換熱效果的影響較小；對于較小開縫長度的換熱器，管束列數的影響可以忽略；摩擦因子與管束列數的大小幾乎無關。同時Wang等人34的經歷關系式為：3-1163-1173-1183-1193-1203-1213-1223-1233-124在文獻34中，Wang認為管束列數對摩擦因子的影響是相當小的，當時，翅片距對換熱效果的影響可以忽略，對于一樣的翅片距，當并且時，其換熱效果比多列管束的換熱器好，但是當以后，其趨勢稍稍相反；開縫的橫向寬度相比較開縫的高度來說，在提高換熱效果方面起到一個