不同翅片形式管翅式换热器流动换热性能比较

.不同翅片形式管翅式换热器流动换热性能比较摘要：随着制冷空调行业的发展,人们已经把注意力集中在高效、节能节材的紧凑式换热器的开发上,而翅片管式换热器正是制冷、空调领域中所广泛采用的一种换热器形式。对于它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率及其整体性能,而且对改进翅片换热器的设计型式,推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。由于翅片管式换热器在翅片结构形式和几何尺寸的不同,造成其换热性能和阻力性能上的极大差异。本文概述目前国外空调制冷行业中的普遍采用的几种不同翅片类型（平直翅片、波纹翅片、开缝翅片、百叶窗形翅片）的换热及压降实验关联式及其影响因素，对不同翅片形式的管翅式换热器的换热及压降特性的实验关联式进行总结，并对不同翅片的流动换热性能进行了比较。正确地选用实验关联式及性能指标，将对翅片管式换热器的优化设计及其制造提供可靠的依据。关键词：翅片形式；管翅式；换热器；关联式；流动换热性能Study on heat transfer and flow characteristics of fin-and-tube heat exchangers with various fin typesAbstract：With the development of refrigeration and air conditioning, high efficiency, energy saving and material saving compact type of heat exchanger is development, as one kind ofcompactheat exchanger, fin-and-tubeheatexchangerhasa wide application in future. It is necessary to develop compact heat exchanger which is more energy saving and material saving to improve the heat exchanger thermal efficiency 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 compared, and the results show the difference of these fin types. The appropriate correlation and evaluation criterion will provide reliable foundation to the design and optimization of compact heat exchangers.Key words：Fin-and-tube heat exchanger; Heat transfer and flow characteristics; Experimental correlations; Comparison目录1 绪论21.1课题背景及研究意义11.2管翅式换热器简介11.3管翅式换热器的特点21.4 管翅式换热器的换热过程21.5研究现状31.5.1国外实验及模拟研究进展31.5.2国研究现状和数值模拟41.5.3管翅式换热器及发展趋势61.6 管翅式换热器的不同形式的翅片研究现状72影响翅片换热和压降性能的主要结构因素92.1翅片间距对换热特性和压降特性的影响102.2管排数对换热特性和压降特性的影响102.3管径对换热特性和压降特性的影响112.4管间距对换热特性和压降特性的影响113不同翅片经验关系式总结及比较123.1 平直翅片经验关系式的总结123.2 波纹翅片经验关系式的总结163.3 百叶窗翅片经验关系式的总结213.4 开缝翅片经验关系式的总结244四种翅片经验关系式比较29结论36参考文献38致42. v. v.1 绪论1.1课题背景及研究意义换热器是国民生产中的重要设备，其应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空等各工业部门。例如，过路热力系统中的过热器、省煤器、空气预热器、凝汽器、除氧器、给水加热器、冷却塔等；金属冶炼系统中的热风炉、空气或煤气预热器、废热锅炉等；制冷及低温系统中的蒸发器、冷凝器、回热器等；石油化工工业中广泛采用的加热及冷却设备等，制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，这些都是换热器应用的大量实例。它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。例如在是有化工工厂中，它的投资要占到整个建厂投资的1/5左右，它的重量站工艺设备总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，它的投资站总投资的25%。由于世界上燃煤、石油、天然气资源储量有限而面临这能源短缺的局面，各国都致力于新能源的开发，并积极开展预热回收及节能工作，因而换热器的应用又与能源的开发及节约有着密切的联系。在这一工作中，换热器也充当着一个重要的角色，其性能的好坏也直接影响到能源利用的效益。热交换器作为一种利用能源与节约能源的有效设备，在余热利用、核能利用、太阳能利用和地热利用等方面也起着重要的作用。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发的合理性与有效性的要求不断提高，因而对换热器性能的要求也日益增加。特别是对换热器的研究必须满足各种特殊情况和苛刻条件的要求，对它的研究也就显得更为重要。因此，在换热器的生产及研究开发上除了满足各种必需的工艺条件之外，对它的综合性能也提出了更高的要求。1.2管翅式换热器简介换热器是热力系统的关键设备，管翅式换热器是比较常用的换热器结构形式。翅片分为单、双或多排结构。这种形式的换热器具有结构简单，便于加工、装配的特点，广泛的应用于石油化工、航空、车辆、动力机械、空分、深低温领域、原子能和宇宙航天等工业部门。管翅式换热器的基本结构是由翅片、隔板、封条和导流片组成的通道。它是在金属平板上放一翅片，然后再在其上放一金属平板，两边以封条密封而组成一个个基本单元。管翅式换热器的芯体则是由多个这样的单位组成。如果对各个通道进行不同的叠置和排列并钎焊成整体，即可得到最常用的错流、逆流、错逆流管翅式换热器芯体、管翅式换热器可组成各种形式的流道，为使流体分布更加均匀，在流道的两段部均设置导流片，在导流片上开设许多小孔，使流体能够相互穿通。一般情况下，从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发，芯体顶部和底部还各留着若干曾假翅片层。在芯体的两段配置适当的流体出入口封头，即可组装成完整的管翅式换热器。翅片是管翅式换热器的最基本的原件，传热过程主要是依靠翅片来完成的，一部分直接由板来完成。翅片与隔板的连接均为焊钳，因此大部分热量经翅片，通过隔板传到了冷流体。由于翅片传热不隔板是直接传热，故翅片又有“二次表面”之称。二次传热表面一般比一次传热表面的传热效率低。翅片除承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间的加强作用，所以尽管翅片和隔板材料都很薄，但其强度很高，故能承受较高的压力。1.3管翅式换热器的特点1、高效节能：其换热系数在30004500kcal/m2Ch，比管壳式换热器的热效率高35倍。2、结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其他换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，面积相同换热量的板式换热器仅为管壳式换热器的1/5。3、容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。4、使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便在、拆装检修。5、适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同的、工艺的要求。6、不串液，板式换热器密封槽设置泄液液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。1.4 管翅式换热器的换热过程在空调中，换热器的结构采用铜管套翅片而组成传热管束，即锡翅片穿在直径较小的紫铜管上。管翅式换热器换热过程：制冷剂(高温)通过铜管将热量以热传导的方式传递给管外的翅片，翅片将热量以对流的方式传递给其表面的的冷空气(常温)，通过不停吹入新的冷空气达到增强冷却的目的。管翅式换热器的翅片结构形式对其传热性能和阻力性能有很大的影响。管翅式换热器的翅片型式很多，从最初的平直翅片到波纹翅片、银齿形翅片、百叶窗式翅片及打孔式翅片等。平直翅片加工制造方便、不易发生变形及装配简单。波纹翅片可使介质的流向不断改变以促进瑞流，提高传热效率，强化换热，可用于压力较高的气体场合本文研究了倾角均匀的波纹翅片及新型的倾角渐增的波纹翅片和前平直后倾角均勾的波纹翅片的圆管换热器的翅片结构对流体流动和换热过程的影响。1.5研究现状1.5.1国外实验及模拟研究进展1973年，Rich28实验研究14种不同结构平翅片，结果表明，在其研究文，翅片间距不影响传热效率，单根管子的压降和管排数无关。1974年，Saboya等29首次在复杂的单排平翅片管换热器的翅片侧利用实验定量计算局部传热系数，总结出翅片表面局部Sh数的分布;得出翅片管上游的局部换热系数较高，下游的局部换热系数较低。1978年，McQuiston6得出特定结构参数下的翅片换热及压降关联式。而后Xu31模拟研究空调单元中蒸发器的湍流流动。利用热线风速仪技术得到平均速度值和流动的湍流参数，由于凝结物的影响，实验结果会有流动干扰;运用U-e瑞流模型榄拟空调单元空气流动，得到的结架十分准确，再加上QUICK方法得到的平均速度提供了更加准确的结果。另外，混合网格能快速达到收敛，并很好与实验结架达到一致。1996年，Rammohan Rao47等实验研究水平翅片自然对流和辐射换热的关系。借助干涉仪和数侦微分方获得对流换热量和福射换热量，并得到Nu和Re的关联式。1998年，Abumadi48等人提出前人得到的换热及压降关联式对结构参数耍求过十局限，对28种不同结构参数的翅片管换热器进行实验，风速围为l-20m/s，分析管排数、翅片的厚度、翅片间距以及管排间距等参数对换热因子与摩擦因子的影响。实验表明：翅片类型影响换热因子和摩擦因子，管排数对阻力系数几乎无影响;翅片厚度越小，传热性能越好。同年，Meyer42采用实验研究了空气的入口尺寸和出口速度分布都影响换热器的空气流动特性。Atkinson等49对百叶窗形式的翅片管换热器用Star-CD进行了二维与二维数值模拟。1999年，Wang15等提出，通过增加翅片密度并促进流体瑞流，可以增加紧凑型气-气换热器空气侧流体的换热面积。增加翅片密度形式多样，例如平翅片、条缝翅片、西叶窗翅片等等。该作者在原有气换热器基础上，用三种方法增加条缝翅片，做大量实验检测换热器性能，实验结果表明：换热系数和压降值随翅片密度的增加相应增大。2001年，Meyer42又对翅片管换热器的入口处中气流动损失进行实验研究，发现入口交气流动损失量与通过换热器的中气平均速度无关，而与入口处空气和进口的倾斜角有关;利用实验结果总结出无量纲压降报尖系数。在文献42中，作者对9种结构不的双金属螺旋翅符进行了传热和阻力性能的分析。水在管流动，交气垂直流向管子，为获得传热系数采用NTU法，给出了气侧压降关于几何参数的关联式。结来表明，空气侧的传热系数比文献中关联式大20%左右，;空气被冷却得到的换热系数比空气被加热得到的换热系数大。研究发现，翅片间距降低，管排数倍加，其余结构参数不变的情况下，空气侧换热系数降低：针对不同排管的换热器，以管外径为均最进径，Re数变化围从500到900，翅片间距从l5.0mm降低到7.5mm，空气侧换热系数会降低大约10%;同翅片间距情形下，管排数从1增加到4，换热系数会逐渐降低;与顺排换热器相比，叉排换热器提高了换热性能。2007年，Sahin等1三维数值模拟研究平翅片管换热器进口角度和换热特性的关系。2009年，Naphon50模拟研究波纹片结构参数对温度和流动分的影响。得出在热流条件情况下，流体流过波纹片，不断破坏热边界条件：波纹夹角的大小影响换量。所以，V型波纹片是增强换热和加强换热器紧密性的好方法。2010年，Choi41等对34个不同结构尺寸的换热器进行实验研究，得出结论：不连续的翅片换热器的j因子方程式与式结构尺相关，对于翅片间距从7.5mm变化到15mrn的情况，不连续平翅片换热器的j因子比连续平翅片管换热器的J因子高6.0%-11.6%。2010印，BoiTajo-Pelaez等44对平翅片管空气侧换热特性模拟。以前对空气侧换热特性的模拟只是分析换热器空气侧，而把翅片与管壁温度设为定值。该作者模拟的目的是证明只考虑空气侧的情况与同时考虑空气与水侧流动特性的情况存在不同，从数、翅片间距、管径尺寸、翅片长度和翅片厚度等几个方面讨论，得出换热值更加精确，更好的预测换热性能，该文章的模拟效果更接近实际情形。由于设备运行中热量散失增加，需要研究新方法提高冷凝器的换热性能。作者研究了在翅片表面开厂角翼处理，这一设计形成的纵向祸流促使冷热流体的混合，强化了换热。2012年，Aslam Bhutta43总结CFD在换热器研究领域的应用以及实现模拟效染所使)U的算法。通过前人的模拟结果可知CTD软件是展示换热器性能的有效工具。1.5.2国研究现状和数值模拟数值模拟的基础是数值传热学，数值传热学是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（例如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程从而获得求解变量的近似值。数值模拟研究方法主要集中在下面两个方面：（1）几何参数对换热及流动的影响；（2）雷诺数 Re 对换热及流动的影响。通过数值模拟可以得到整个流场的基本信息，再通过计算得到想要的性能参数（如 Nu、压差 p、换热因子 j、阻力因子f 等等），对这些数据进行对比观察，得到所要结果。王先超、水黎明40等人，通过对波纹翅片数值模拟的分析，得出了影响波纹翅片换热因子j和阻力因子f 的因素，同时把不同雷诺数Re下的波纹翅片与矩形翅片（即平直翅片）、矩形开缝翅片（平直翅片开缝得到）进行了分析比较。结果发现：翅片厚度对波纹翅片的换热因子j 和阻力因子f 影响不大，但翅片间距sf对波纹翅片的阻力因子 f 影响较大；雷诺数 Re 在 4002000 围时，波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 228 倍之间，阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 284 倍；雷诺数在 200010000 围，波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 228 倍之间，阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 354 倍；波纹翅片与矩形开缝翅片的阻力因子 j 随雷诺数的变化很小，两者非常接近。媛26等人以 3 种常见的翅片类型(平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片)为研究对象，利用标准k-双方程湍流模型求解三维Navier-Stokes方程，采用计算流体动力学(CFD)方法模拟和分析了板翅式换热器单通道中，不同结构参数和操作参数对翅片表面换热与流动的影响，并将不同实验参数下的数据制作成曲线图表，发现3种翅片的换热因子 j 和阻力因子 f 随雷诺数 Re 的增大而递减，这与他们的实验24得出的结论是一致的，这就说明了：将数值模拟方法应用于翅片表面换热和流动特性研究是可行的。然后进一步分析了波纹翅片的波幅与翅片间距对其表面换热与流动性能的影响规律，结果发现：波纹翅片的波幅越大、翅片间距越大，换热因子 j 越大，即传热效果越好。最后把3种翅片在相同操作条件下的j因子和f因子进行比较发现：锯齿翅片和波纹翅片的传热性能优于平直翅片，说明改善换热器换热表面的几何形状对板翅式换热器的性能影响至关重要。王维斌、傅宪辉、吴茂刚25等人以波浪形翅片和人字形翅片为研究对象，在合理简化条件下给出了物理模型和数学模型，通过对不同进口风速下翅片通道的换热和流动特性进行了数值模拟研究。通过对传热系数，Nu数，压降以及涡量分布的对比分析，结果表明：波纹翅片改变了流体的流向，增加了换热面积，增强了流体扰动，由于漩涡的形成与分离，减薄或者破坏了热边界层的连续发展，使其换热特性得到有效强化；同时也增大了阻力损失，但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。随着风速的增加，翅片表面的换热系数、Nu 数以及压降也随之增加。在相同的模拟条件下，人字形翅片的换热性能高于波浪形翅片，但是阻力损失却相差不大，波浪形翅片在减少流动损失方面没有很大的优势。两者流动与传热特性的差别，主要是因为翅片流场中漩涡的形成与脱落存在差异。黄小辉、毕小平27等人通过建立一个板翅式机油散热器冷却空气侧波纹翅片通道的稳态湍流数学模型。作者以波纹形翅片表面为研究对象，利用 Fluent 软件，进口条件设置为流量进口，出口条件为压力出口，翅片表面和隔板设置为壁面，并在进出口处分别设置延伸段来使流场充分发展。采用标准 k-湍流模型和 SIMPLE 算法求解三维Navier-Stokes方程，模拟和分析了板翅式散热器双通道不同参数对翅片表面传热与流动阻力的影响，发现：阻力系数随着进口流速的增大而减小。通过分析得到了阻力系数与平均流速的拟合函数，计算结果与实验数据基本吻合，更进一步说明 CFD 方法的可行性。总之，可供使用的多种翅形 j 因子和 f 因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限因此，应用计算流体力学(CFD)，流动可视化技术和模拟测试来研究翅片换热和流动的本质，并建立 j 因子和 f 因子数据库将是今后十分重要的工作。从上述的文献综述可看出，大量学者对翅片管换热器的换热特性进行研究并取得了一定的成果，但还存在如下儿个问题：(1)目前对平翅片管换热器的流动与换热特性研究得比较多，对波纹翅片管换热器的研究还不够完善，或者说针对波纹翅片管换热器的换热机理研究不够;(2)多数文献中针对管排数较少的翅片管换热器研究，而对多管排形式下的翅片管换热器研究较少;(3)目前对波纹翅片管换热器表面的流动与换热特性的研究主要集屮在实验研究方面，由于其结构的复杂性，数值模拟工作开展的较少。然而实验只在一定围对换热及肌力特性进行研究，获得具有很大局限性的经验关联式，对于多管排形式下的换热器中各管区域的换热特性不能进行细致的研究。1.5.3管翅式换热器及发展趋势20世纪60年代以前，普通的管翅式换热器多采用表面结构未做任何处理的平翅片，这种形式的翅片除增大换热面积来达到强化传热的效果以外，再无其他强化传热作用。直至目前，这一方法仍是所有各种管式换热面强化传热方法中运用的最为广泛的一种。管翅式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地发现之一。它不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也有很大的价值。通过调整换热器的翅片间距，设计成为变翅片间距，实现结构优化，并对其换热性能与改进前换热器进行对比计算，提高了换热器的传热系数。本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器。当气流通过蒸发器时，由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积，空气由于除湿作用相对湿度降低，沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的，如果采取变片距结构，可以在结霜条件下保持其较高的传热效率，并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时，实际上已构成了翅片的错列分布，当空气横掠错列翅片时，翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用，由于前面翅片的绕流，翅片的前半部分换热加强，后面的翅片的分布又使得流道变窄，流速提高，翅片后半部分的换热也得到强化。通过变翅片间距的结构改进，冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下，在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数，且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9.8，且传热面积有所提高，通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的。加强管流体流动，管壁加工变螺距螺纹。在不增大整体设备尺寸的前提下，增加其表面换热面积，加强管流体的扰动，在原有换热器的管壁上加工变螺距螺纹。当管工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时，管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面，对于缩小换热器体积，提高换热器效率有很重要的作用。目前，已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等等。管表面积的增大主要集中在异型管的开发方面，综观各种不同形状的强化管，其共同特点是在兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增加，并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素，它产生于靠近管壁的层流底层，并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋，会破坏贴壁层流状态，抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄，而绕流作用使流体产生轴向旋涡，可致使边界层分离，流体主体径向温度梯度减小，有助于热量传递的进行。在已加工好的管壁部加工变螺距螺纹，不但可以扩大管子的表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，部有螺纹所以壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管对流换热系数。同时，因为采用变螺距，沿着流体流动方向螺距从大变小，这样可增强流体的扰动，强化流体的换热系数。1.6管翅式换热器的不同形式的翅片研究现状翅片的形式，到目前为止一出现以下几种：平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片、波纹翅片、钉状翅、百叶窗翅片、片条翅片等。常用的有平直翅片、百叶窗翅片、条缝翅片和波纹翅片。1.6.1国外研究现状：（1）平直翅片Rich28发现翅片间距对传热系数有着显著的影响，而管排数对空气压降几乎没有什么影响。Sparrow31在研究此问题时指出，边界层的发展是制约但排灌换热特性的重要因素。Torikoshi29对板间通道进行了三维数值模拟，发现只要翅片艰巨足够小，管子后漩涡江北翅片的壁面效应所以只，此时整个流场将处于层流状态。Ricardo51也对板间的流体行为进行了三维模拟，他借助可视化实验技术，揭示了翅片间距对流动及传热行为的不用影响趋势，对于一定的约束条件，翅片间距存在强化传热的最佳值。（2）波纹翅片及开缝翅片Bemard30对波纹翅片通道传热机理进行研究，发现存在临界Re，管排数对传热影响趋势与平直翅片相反，但变化的量值壁平直翅片管束要小得多。Goldstein31采用质热比拟技术进行研究，认为波纹翅片的传热比平直翅片提高45%。Nakayama31对3种结构的开缝翅片进行实验研究，得到了传热和流阻的关联式。DeJong33等人研究发现，流体通过条缝后漩涡首先在下游出现，随着Re的下降而下降。（3）百叶窗翅片Fiebig等人52采用漩涡发生器强化传热，当攻角为45时，传热可提高20%左右，阻力比没有漩涡发生器时增加了10%。Torri等人在Fiebig等人的基础上，进一步安装135起涡器，实验发现阻力将降低34%55%。Leu等人对椭圆管、圆管百叶窗换热器进行了数值模拟研究，结果表明管子背风侧的换热恶化，百叶窗的窗片前缘效应在强化传热中起到了重要的作用，对比椭圆管与圆管的总体换热行为，发现椭圆管的强化传热能力没有人们以前预想的好。1.6.2国翅片的发展现状：（1）平直翅片康海军9对9种平直翅片管的传热与阻力进行了实验研究，发现翅片艰巨对传热的影响依赖于临界雷诺数Re。对于层流，翅片艰巨增加，换热下降，阻力减少，且2排管的性能优于3排和4排。何江海则进行双排管整体翅片的数值模拟，得到了速度与压力场分布，气体速度在0.53.5m/s，对流给热系数及压降均随流速呈线性增长。何雅玲46等人采用树枝模拟方法研究了多排管束管子纵横向间距对传热的影响，认为传热随其纵横间距的增大而减小，进一步场协同原理总体平均分析表面，横向管距越小，纵向管距越大，场协同性越好（2）波纹翅片辛荣昌19的研究表明，翅片艰巨的影响受控于管排数，翅片艰巨越小，阻力系数f越大，而且管排数对阻力系数的影响很小。Wang15的研究表明，翅片间距对传热的影响忽略不计，但对阻力影响较大，与平直翅片相比，传热提高了55%70%，压降增大66%140%。恩泽20的研究发现，从单位体积或单位阻力换热量来说，翅片间距为3.263.33mm波纹翅片综合强化传热性能较好。对于强化传热的机理，一般认为，波纹翅片可以降低临街Re，引入绯闻太流动提高了流体微元的局部混合及分布的横向均匀性。（3）百叶窗翅片智45采用Fluent软件模拟双排管弧形百叶窗翅片片厚、翅片间距、翅片宽度对换热量及传热j银子的影响。结果表明，迎风侧的强化传热高于被背风侧。翅片跨度变化对总体换热量几乎没有什么影响，翅片间距变大会使整体换热量降低，因为换热强度的微弱提高不能补偿单位管长换热面积的下降造成的传热损失，这说明采用小间距薄翅片是一种强化传热的措施，但同时也给带来了翅片刚度的下降及管翅间接热阻上升的问题。(4) 开缝翅片Wang15研究了12种开缝翅片结构，发现翅片间距对传热和压降有显著影响。管排数为1时，翅片艰巨减小传热增大。管排数大于4时，翅片间距对传热压浆的影响趋势相反。涡旋的脱落及涡旋的震荡效应是强化传热的根本原因。Du对7.52mm管径的研究表明，当Re2000时，单排管换热性能大于多排管。Tao53基于场协同理论，通过数值模拟研究，根据翅片背风侧场协同能力较弱，而前缘的较好，提出了前疏后密的新结构，在阻力几乎不上升的情况下，传热可提高20%以上。开缝翅片利用间断表面来一直边界层的增长及冲条的前缘效应来强化传热，但目前多冲缝角与片宽还没有更深入的研究。2影响翅片换热和压降性能的主要结构因素2.1翅片间距对换热特性和压降特性的影响对于平翅片：在低雷诺数ReDc5000的情况下，翅片间距对换热系数的影响较小可以忽略。当管排数(N4)时候，空气流通过换热器时，将产生周期性的变化，并且产生涡流。较大的空气流速和较大的管排数将造成沿翅片的涡流出现，因此这时翅片间距的对换热系数的影响可以忽略不计。Torikoshi29etal(1994)曾对单管平翅片进行了3D数值分析，他们的研究发现当翅片间距足够小，如：Fp/D=0.17的时候，在管子后产生的涡流将被抑制，整个流场将保持平稳和层流的状态;但当Fp/D=0.3的时候，在管子后的涡流的横向宽度将显著增加。由此也证实了实验研究的正确性。而对波纹形翅片;翅片间距对换热因子的影响可以忽略不计。对于间断式翅片(条缝形翅片和百叶窗翅片);由于两者虽然在换热机理上相同，但其换热特性与压降特性也有不同之处。翅片间距对条缝形换热器的换热及压降特性有显著地影响：当N=1时，换热特性随着翅片间距的减小而增大;当N4时，翅片间距对换热的影响正好相反。这主要与空气通过换热器的流型有关，当达到临界雷诺数时，间断表面将造成涡旋脱落，通过涡旋的自身振荡可以加强流动换热。对百叶窗式翅片：在干工况下，翅片间距对压降特性的影响相对较小;而在湿工况下，翅片间距对换热性能的影响很小，然而翅片间距对压降性能有显著的影响。例如：翅片间距Fp=1.2mm的换热器要比Fp=2.5mm的换热器压降大30%50%。2.2管排数对换热特性和压降特性的影响对于平翅片：对于管排数N=1，2，or4时，当ReDc3000时，管排数对换热的影响将减小。在高雷诺区，空气流速与温度的在换热器部的分布，由于涡流的产生和脱落，而变得不稳定。因此将产生高的换热系数，并且管排数对换热的影响逐渐减弱。对于波纹形翅片：1)对错排管布置，低雷诺数下管排数没有对换热系数和摩擦系数有明显的影响;而在高雷诺数下，换热系数会随着管排数的增加而增加。2)对于顺排管布置，在低雷诺数下换热系数会由于边界层厚度的增加而减小;而在高雷诺数下，换热系数会随着管排数的增加而增加。间断式翅片(条缝形翅片和百叶窗翅片)：对于条缝形翅片：当Re1000时，第一排管的换热性能略低于其它的管子。这是由于涡流的脱落造成。由Wang17etal对紧凑条缝结构管排数为1、2、3换热器的研究发现，管排数对摩擦因子的影响相对较小。但是Re1000时，管排数的影响十分小。2)对于百叶窗形翅片;当ReDc2000时，管排数的影响相对较小。2.3管径对换热特性和压降特性的影响对于平翅片：对于单排管和双排管，Dc=8.51mm时的换热系数比Dc=10.23mm的稍高;但Dc=10.23mm的压降却比Dc=8.51mm的要大10%15%。管径越大的，造成的管后的无效面积也越大。换热系数随着换热管管径的减小而增大。而对于其它的翅片类型(波纹形翅片、条缝形翅片、百叶窗翅片)，采用小管径的换热管，同样可以减小管排的拖曳作用，同时增大管外换热系数。如：对百叶窗翅片，当迎面风速Vfr1.5mm/s时，采用小管径的多排管结构有利于提高换热器的换热性能，并却能够减小10%的压降损失。2.4管间距对换热特性和压降特性的影响对于平翅片：实验发现纵向管排间距Pl=22mm的压降与Pl=19.05mm的压降差别不大，管排间距对换热特性和压降特性的影响有大。对间断式翅片表面的研究发现，百叶窗翅片，在干工况下纵向管排间距Pl=22mm和P1=19.05的换热特性差别不大，但Pl=22mm的压降损失要比Pl=19.05mm的压降失大6%12%，如：雷诺数Re=1000时，Pl=22mm的摩擦系数要比Pl=19.05mm的摩擦系数大28%;而雷诺数Re=5000时，Pl=22mm的摩擦系数要比Pl=19.05mm的摩擦系数大52%。在湿工况的情况下，管排间距越大，越有利于凝结水的排放，而使换热器的压降损失降低。3不同翅片经验关系式总结及比较3.1 平直翅片经验关系式的总结管翅式换热器有很多种不同的翅片形式，比如波纹翅片、百叶窗翅片和开缝翅片等。强化翅片表面相比较平直翅片来说能够显著增强换热系数，但是平直翅片仍然应用的最为广泛，这是因为平直翅片在其长期运行过程中的可靠性和低阻力特性。在过去很多年许多研究者致力于研究平直翅片的换热特性和阻力特性，Wang1-5等人从1971年开始在这方面做出了很多有影响的工作。图1是平直翅片翅管式换热器的简图。图1 平直翅片翅管式换热器简图关于以错排方式排列的平直翅片换热器换热特性和阻力特性的最早发表的经验关系式是由McQuiston提出的6，但是Gray和Webb7指出其摩擦因子的预测能力非常有限。Gray和Webb7的经验关系式对摩擦因子的预测能力有了很大的提高，而换热经验关系式主要还是McQuiston6提出的经验关系式的容。需要指出的是Gray 和Webb7的经验关系式主要围是较大的管径、较大的横向管间距、较大的纵向管间距和较多列数的管束。其关于因子的关系式为7：（3-1）（3-2）把Gray和Webb7的经验关系式用于较小的管径结果并不好。因此Wang等对较小管径的换热器经验关系式进行了修正1，如下：（3-3）其中，是基于tube collar diameter的雷诺数。Wang1-5等人指出，小管径、小纵向管间距和小横向管间距的翅管式换热器现在越来越流行，这是因为它能够显著提高热工水力特性和节约能源。但是，以前发表过的关系式大部分是基于管径较大的管子，比如说管径为9.52mm，12.7mm和15.8mm。而对于较小的管径比如说7.94mm，7mm和6.35mm的数据根本没有。文献8提供的空气压缩机中冷器的管径为8mm，10mm，12mm和14mm。Wang等人在文献2中给出以下经验关系式：对于管束列数时，（3-4）（3-5）（3-6）对于管束列数时，（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）（3-11）摩擦因子的经验公式为：（3-12）（3-13）（3-14）（3-15）Wang 等人14和 Rich28都指出换热器管束为4列时，翅片距对于平直翅片翅管式换热器的换热效果的影响很小。但是，当或2并且时，换热系数随着翅片距的减小而增加，当时，翅片距对换热效果的影响可以忽略。当并且时，翅片距对换热系数的影响可以忽略。当管束列数较大翅片距较小时，在低雷诺数区域管束列数对换热效果的影响尤其显著。而管束列数对摩擦因子的影响是很小的。当翅片距约为1.2mm时，管径对换热系数的影响是非常小的3。Wang等人还对潮湿环境下的翅管式换热器进行了研究4。在潮湿的工作环境，翅片的表面温度通常低于露点温度，因此湿蒸汽会在翅片上凝结。Wang 等人.指出因子对于进口的相对湿度相对地不敏感，因此因子的经验关系式里没有考虑进口环境的影响。但是进口环境对摩擦因子的影响与对换热效果的影响相反，对于小翅片距进口环境对摩擦因子的影响很大。相对湿度对宁（Fanning）摩擦因子的影响在摩擦因子经验关系式里由冷凝膜（condensate film）的雷诺数来表示。因子的经验关系式为：（3-16）（3-17）宁（Fanning）摩擦因子的经验关系式为：（3-18）（3-19）(3-20)(3-21)（3-22）在文献5中，Wang等人指出，在低雷诺数时，平直翅片管翅式换热器的最大因子发生在较大的管子列数和较小的翅片间距；试验数据表明管束列数对因子的影响很小。对于6列管子的换热器，当雷诺数低于2000时，换热系数有了很大的减小，而当雷诺数在2000到7500之间时，管束列数的影响消除了；对于平直翅片管翅式换热器，翅片的厚度对于因子和因子的影响都可以忽略。其经验关系式为：（3-23）（3-24）在国，康海军9研究了3种翅片间距（分别为2.0mm、2.6mm和3.2mm）和3种管束列数（分别为2、3、4）的9个平直翅片管翅式换热器的换热和阻力特性。通过试验康海军9-19指出在(23)103时，随着翅片距的增加，换热系数是增加的，并且随着的增加，翅片距对换热效果的影响逐渐增强。在相同的数下，翅片距越小，阻力系数越大；在相同的翅片距下，随着数的增加，阻力系数曲线逐渐趋于平坦。康海军9-19还对管数列数的影响进行了分析，他认为5604.5104围，相同翅片距下，2列管束的换热性能优于3列管束和4列管束，而3列管束和4列管束的换热性能没有明显的差别；在相同的翅片距下，不同的管束列数的阻力系数相当接近，在工程计算所允许的误差围，可以认为管束列数对阻力系数没有什么影响。最后康海军给出了换热和阻力的关系式，如下：（3-25）（3-26）何国庚等10分别对16列、26列和32列的平直翅片空气冷却器进行了实验，指出风速对风侧阻力的影响并不相同：在较少管束列数时，风速的影响显著些；而随着管束列数的增加，风速的影响也趋向稳定。何江海在文献11中对平直翅片管翅式换热器进行了数值分析。欧阳新萍在文献12和文献13讨论了管束以顺排方式和错排方式对换热器换热特性和阻力特性的影响。对上述公式进行比较，如表1所示，发现表1中公式2对于平直翅片管翅式换热器的换热特性和阻力特性描述的最好。3.2 波纹翅片经验关系式的总结波纹翅片是最常见的强化翅片形式。波纹翅片有两种形式：人字形波纹翅片和光滑波纹翅片，如图2所示：（a）人字形波纹翅片（b）光滑波纹翅片图2 波纹翅片示意图由于空冷器的热阻主要是在空气侧，它占了热阻的85甚至更多。因此，为了有效地提高换热效果和减小空冷器的尺寸和重量，常常用到强化换热表面。波纹翅片是用来提高换热效果的几种常用翅片形式之一。波纹翅片表面能够延长空气流动的路径，因此，相比较平直翅片来说有更好的换热效果。Wang等人对管束列数和翅片的排列形式进行了研究14。当管束以错排方式排列时，因子随着雷诺数的增大而减小，并且除了管束为1列之外因子随着管束列数的改变并没有变化。1列管束的因子相比多列管束来说较低，这是因为实际上1列管束并没有以错排方式来排列。因此1列管束的因子比多列管束的因子低10到20。对于2列、3列和4列管束来说，当雷诺数小于900时，试验数据显示随着管束列数的减少换热系数稍稍有点增大。当雷诺数大于900时，换热系数随着管束列数增大而增加。其原因是在高雷诺数区域时，下游空气能够混合的更好。当雷诺数减小时，下游空气的扰动减小甚至消失，在圆管后面就形成漩涡。这样管束列数的影响就颠倒过来。同时试验数据表明翅片距对换热系数几乎不起作用。对于管束以顺排方式排列时，管束列数对因子的影响很小，然而相比较错排方式，管束列数对换热系数的影响却很大。在低雷诺数时，换热系数先随着管束列数的增加而减小，在高雷诺数区域，管束列数的影响几乎可以忽略，临界雷诺数大概为2000。以顺排方式排列的传热特性与以错排方式排列换热器换热效果不同有两个原因：（1）在低雷诺数区域传热边界层增加，并且在高雷诺数区域传热边界层被破坏，（2）较小的旁通空气流量。文献14还指出，波纹翅片的传热效率相比较平直翅片的换热效率增加了55到70，但是摩擦因子恶化的程度更高，增加了66到140。文献给出关于因子和因子的经验关系式为：（3-27）（3-28）Wang等人对较小管径的波纹翅片管换热器15和较大管径的波纹翅片管换热器16进行了研究，给出了相应的换热效果和阻力特性的经验关系式。较小管径波纹翅片管换热器的经验关系式如下15：（3-29）（3-30）（3-31）（3-32）（3-33）（3-34）（3-35）（3-36）（3-37）较大管径波纹翅片管换热器的经验关系式如下16：（3-38）（3-39）（3-40）（3-40）（3-41）（3-42）文献17给出了管束以不同排列方式分布的波纹翅片管换热器换热特性和阻力特性的经验关系式，如下：当管束以错派方式排列，1，2时，（3-43）当，1，2时，（3-44）当 3时，（3-45）（3-46）对于管束以顺排方式排列，关于因子和因子的经验关系式为：当，4时，（3-47）当，2，3时，（3-48）当，2，3，4时，（3-49）（3-50）其中，是指相对翅片面积的摩擦系数。Wang等人通过对人字形波纹翅片进行试验研究18，指出随着波纹翅片倾角的增大换热效果显著增强，但是相应地压力损失也特别的高，这也是商业所用的波纹翅片倾斜的角度一般不会超过20的原因。文献18给出的经验关系式为：当时，(3-51）（3-52）（3-53）（3-54）（3-55）（3-56）（3-57）（3-58）（3-59）当时，（3-60）（3-61）（3-62）（3-63）（3-64）（3-65）（3-66）（3-67）在国，辛荣昌19对不同管束列数（分别为2、3、4）及不同翅片间距（分别为2.0mm、2.6mm和3.2mm）的9个三角形波纹翅片管换热器进行了传热及阻力特性试验。通过试验辛荣昌19指出管束列数不同时，翅片间距的影响规律是不同的。2排管时，翅片间距越小数越大；3排管时翅片间距的影响很小；而对4排管时，当数较高时，翅片距为3.2mm时明显高于翅片距为2.0mm和2.6mm时的值，但在小数时3种翅片距的差别减小。翅片距为2mm的数与相同管束列数下其他两种翅片距的数的差别比平直翅片时的差距要小一些。而从阻力特性来看，翅片距越小阻力系数越大。辛荣昌19还对管数列数的影响进行了分析，他认为当翅片间距较小时（2mm和2.6mm），2列管束的数明显高于3列和4列管的值，当翅片距较大时（3.2mm），管束列数的影响减小。从阻力特性来看，翅片距为2mm时，2列管束的阻力系数明显高于3列和4列管束时的值，而对其他两种翅片距，管束列数的影响很小。最后辛荣昌19给出了换热和阻力的关系式，如下：（3-68）（3-69）恩泽等20对表冷器的翅片间距对换热的影响进行了研究，指出对6列管波纹翅片表冷器，在常用翅片距2.43.4mm围，不论是从单位体积换热量还是从单位阻力换热量来衡量，间距为3.263.33mm时，其性能都是较好的。国在波纹翅片管换热器数值计算21-22与性能分析23-24上也进行了一定的研究工作。对上述公式进行比较，如表2所示，发现表2中公式2对于波纹翅片管翅式换热器的换热特性和阻力特性描述的最好。3.3 百叶窗翅片经验关系式的总结为了有效的提高管翅式换热器的整体效果，通常也采用非连续表面来进行强化传热，百叶窗翅片就是非连续表面的代表形式。百叶窗翅片可应用到汽车方面，比如说散热器、冷凝器和蒸发器等，在住宅用空调系统方面也有广泛的应用。百叶窗翅片能够截断和更新空气流动的边界层，因此相比较平直翅片能够得到一个较高的换热系数。图3是百叶窗翅片的示意图。图3 百叶窗翅片示意图Wang等人在文献34中对百叶窗翅片提出了如下的经验关系式：当时，（3-70）（3-71）（3-72）（3-73）（3-74）当时，（3-75）（3-76）（3-77）（3-78）（3-79）摩擦因子的关系式如下：当时，（3-80）（3-81）（3-82）（3-83）（3-84）当时，（3-85）（3-86）（3-87）（3-88）（3-89）（3-90）对于典型的空气调节换热器，例如风机盘管机组或者蒸发器等，他们表面的温度有可能工作在相对应的露点温度之下，热量传递和质量传递同时在表面发生，并且水冷凝也会发生。空气流通过换热器与水冷凝相结合使流动形式变的非常复杂。因此在除湿环境下换热特性和阻力特性有可能会发生显著的变化。Wang等人对这种工况下的换热特性和阻力特性进行了研究，并给出了如下的经验关系式16：（3-91）（3-92）（3-93）（3-94）（3-95）（3-96）（3-97）（3-98）（3-99）Wang等通过试验研究，在文献15中指出，当雷诺数小于2000时，因子随着管束列数的增加而减小；当雷诺数大于2000和管束列数大于1时，因子对于管束列数来说相对独立。这是因为当雷诺数较小时，下游的扰动趋于消除，并且在圆管后面有漩涡形成。因此当雷诺数小于2000时，管束列数对换热系数有显著的影响，六列管的换热系数有显著的减小。当雷诺数大于1000时，翅片距对换热系数的影响可以忽略；当雷诺数小于1000时，换热效果随着翅片距的减小而减弱。文献28给出了关于Stanton 数和因子的关系式：（3-100）当时，（3-101）（3-102）当时，（3-103）其中，是基于翅片距的雷诺数。慕瑾等29对3种不同管束列数的百叶窗翅片管换热器进行了研究，指出在相同结构的换热器中，管束列数越少，对流换热的换热系数越大。在传热量一定的情况下，换热器设计的管束列数不宜大于3。选择文献25中的公式，和试验数据进行比较，如表3中所示。3.4 开缝翅片经验关系式的总结开缝翅片是另一种常用的非连续强化换热表面。这是因为沿流动方向上翅片的边界层厚度是增加的，从而导致换热系数沿流动方向减小。在翅片上开缝可以破坏翅片上的边界层，减小边界层的厚度，起到强化换热的作用。图4是开缝翅片的示意图。图4 开缝翅片示意图关于商用开缝翅片换热器的试验数据公开发表的非常有限，Nakayama和Xu31在八十年代初对3种不同类型的开缝翅片进行了试验研究，基于他们的试验数据，归纳出下列经验关系式30：（3-104）（3-105）（3-106）（3-107）（3-108）由于Nakayama和Xu31的关系式的预测能力是很有限的，Wang等人18又对12种不同的开缝翅片进行了试验研究，指出开缝翅片换热器的换热效果随翅片距的减小而增强，但是当管束列数不小于4时，其结果刚好相反；换热效果随管束列数的增加而减弱；摩擦因子与管束列数的大小几乎无关。并在Nakayama和Xu31的关系式的基础上又提出了一个更广围的经验关系式：（3-109）（3-110）（3-111）（3-112）（3-113）（3-114）（3-115）然而对开缝翅片的换热特性和阻力特性公开发表的文献极少，Wang等人34又通过对更多的开缝翅片形式进行了试验研究，在文献18和文献34中提出了更加完善的经验关系式。在文献34中，Wang等人34认为对于管束列数为1时，换热效果随翅片距的减小而增强，但是当管束列数大于2时，其结果刚好相反；当时，换热效果随管束列数的增加而急剧减弱；当时，管束列数对换热效果的影响较小；对于较小开缝长度的换热器，管束列数的影响可以忽略；摩擦因子与管束列数的大小几乎无关。同时Wang等人34的经验关系式为：（3-116）（3-117）（3-118）（3-119）（3-120）（3-121）（3-122）（3-123）（3-124）在文献34中，Wang认为管束列数对摩擦因子的影响是相当小的，当时，翅片距对换热效果的影响可以忽略，对于相同的翅片距，当并且时，其换热效果比多列管束的换热器好，但是当以后，其趋势稍稍相反；开缝的横向宽度相比较开缝的高度来说，