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。

本文概述目前国内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
types
Abstract：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 of compact heat exchanger, fin-and-tube heat exchanger has a 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 (2)
1.1课题背景及研究意义 (3)
1.2管翅式换热器简介 (3)
1.3管翅式换热器的特点 (4)
1.4 管翅式换热器的换热过程 (4)
1.5研究现状 (5)
1.5.1国外实验及模拟研究进展 (5)
1.5.2国内研究现状和数值模拟 (6)
1.5.3管翅式换热器及发展趋势 (8)
1.6 管翅式换热器的不同形式的翅片研究现状 (9)
2影响翅片换热和压降性能的主要结构因素 (11)
2.1翅片间距对换热特性和压降特性的影响 (12)
2.2管排数对换热特性和压降特性的影响 (12)
2.3管径对换热特性和压降特性的影响 (13)
2.4管间距对换热特性和压降特性的影响 (13)
3．不同翅片经验关系式总结及比较 (14)
3.1 平直翅片经验关系式的总结 (14)
3.2 波纹翅片经验关系式的总结 (18)
3.3 百叶窗翅片经验关系式的总结 (23)
3.4 开缝翅片经验关系式的总结 (26)
4．四种翅片经验关系式比较 (31)
结论 (38)
参考文献 (40)
致谢 (44)
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、管翅式换热器内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3000～4500kcal/m2·°C·h，比管壳式换热器的热效率高3~5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，Rich[28]实验研究14种不同结构平翅片，结果表明，在其研究范文内，，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，McQuiston[6]得出特定结构参数下的翅片换热及压降关联式。

而后Xu[31]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 Rao[47]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，Abumadi[48]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，风速范围内为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，Meyer[42]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，Wang[15]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，Meyer[42]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。

水在管内流动，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
数变化范围从500到900，翅片间距从l5.0mm降低热器，以管外径为均最进径，R
e
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，Naphon[50]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，Choi[41]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 Bhutta[43]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国内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Δp、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 400～2000 范围内时，波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 2～28 倍之间，阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的28～4 倍；雷诺数在 2000～10000 范围内，波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 2～28 倍之间，阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 35～4 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。

李媛[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-ε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-ε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。

然而实验只在一定范围内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。

加强管内流体流动，管内壁加工变螺距内螺纹。

在不增大整体设备尺寸的前提下，
增加其内表面换热面积，加强管内流体的扰动，在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。

当管内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。

管内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。

在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹，不但可以扩大管子的内表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，内部有螺纹所以内壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管内的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管内对流换热系数。

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
Rich[28]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。

Sparrow[31]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。

Torikoshi[29]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。

Ricardo[51]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
Bemard[30]对波纹翅片通道内传热机理进行研究，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。

Goldstein[31]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%。