管翅式换热器翅片发展现状(图文教程)

摘要：介绍了管翅式换热器的工作原理以及管外翅片的种类，基于国内外发展现状，总结了不同翅片形式强化传热的机理及翅片参数对传热与流阻的影响规律。

关键词：换热器；翅片；强化传热；数值模拟

1 前言

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，冷、热流体间壁错流换热，管内走冷媒，管外为空气。管内以相变传热为主体，其中，单相流体换热在进出口部位也占有一定的比例，铜管一般为多管呈蛇形布置，翅片分为单、双或多排结构^[1]。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，即可得到最常用的逆流、错流、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有若干层假翅片层。在芯体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最基本的元件，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。由于翅片传热不像隔板是直接传热，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人物外，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。

本文针对空气侧强化传热的机理，对不同翅片的研究进展进行综述。

2国外翅片的发展现状

翅片的形式，到目前为止已出现以下几种：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、多孔翅片、锯齿翅片和波纹翅片。

早期研究主要是以实验为主，但是昂贵的模具费用使得这种研究的代价很大，因此，这种研究往往滞后于商业生产。随着计算技术的日益发展，以计算机流体动力学数值模拟为研究手段的研究方法发挥了越来越大的作用，用这种方法能够在产品定型前进行优化。

（1）平直翅片

Rich发现翅片间距对传热系数有显著的影响，而管排数对空气压降几乎没有什么影响。Sparrow在研究此问题时指出，边界层的发展对是制约单排管换热特性的重要因素。Torikoshi对板间通道进行了三维数值模拟，发现只要翅片间距足够小，管子后漩涡将被翅片的壁面效应所抑制，此时整个流场将处于层流状态^[2]。Ricardo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） 波纹翅片及冲缝片

Bemard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，但变化的量值比平直翅片管束要小的多^[3]。Galdstein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%。

Nakayama对3种结构的冲锋片进行实验研究，得到了传热与流阻的关联式。Dejong等人研究发现，得到了传热与流阻的关联式。Dejong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） 百叶穿翅片

Davenpor对百叶窗翅片进行了实验研究得到传热与流阻的关联式。Fiebig等人采用漩涡发生器强化传热^[4]，当攻角为45°时，传热课提高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。

3       国内翅片的发展现状

(1)平直翅片

康海军对9种平直翅片管的传热与阻力进行了实验研究，发现翅片间距对传热的影响依赖于临界雷诺数Re。对于层流，翅片间距增加，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0.5~3.5m/s内，对流给热系数及压降均随流速呈线性增长。何雅玲等人采用数值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

辛荣昌的研究表明，翅片间距的影响受控于管排数，翅片间距越小，阻力系数f越大，而且管排数对阻力系数的影响很小^[5]。Wang的研究表明，翅片间距对传热的影响忽略不计及，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%。张恩泽的研究发现，从单位体积或单位阻力换热量来说，翅片间距为3.26~3.33mm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界Re，引入非稳态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

张智采用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因子的影响。结果表明，迎风侧的强化传热程度高于背风侧。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所造成的传热损失，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触热阻上升的问题。

（4）冲缝片

Wang研究了12种冲缝片结构，发现翅片间距对传热和压降有显著影响。管排数为1时，翅片间距减小传热增大。管排数大于4时，翅片间距对传热压降的影响趋势相反。涡旋的脱落及涡旋的震荡效应是强化传热的本原因。Du对7.52mm管径的研究表明，当Re<2000时，单排管换热性能大于多排管。Tao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^[6]。冲缝片利用间断表面来抑制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。

4       总结和展望

到目前为止，多数研究将翅片的结构与管子的存在位置分离开来，没有考虑管子存在对流体背风侧的传热和流阻影响。目前，还没有对很多因素做很深入的研究。传统的研究法多一等壁温假设为前提，考虑的问题往往是相变传热部分的管翅换热器，但实际的换热管内进、出口两端存在过冷、过热和单相流换热，产生了注入翅片逆向导热等不良现象，影响了翅片的整体效率，但目前采用改变翅片结构来克服这方面不足的研究还为数不多。人们的研究工作往往来源于实际生产，更多的是基于工程的研究，缺乏对强化传热机理及减阻力学理论的应用，创造性研究少。此外，对比各种翅片形应用场合及传热流阻的对比分析也比较少。

 翅片间距、管片相对位置以及翅片结构决定了过流空气的尾迹漩涡，周期与非周期性扰动强度，是需要进一步深度研究的重要问题，目前，换热器无因次翅片间距为0.128~0.24。对管子直径的进一步缩小、管子与翅片的相对位置、、片长和宽翅片的匹配以及操作Re的针对性优化问题也需要进一步研究与探讨。开发新翅片表面涂层材料、强化材料的全天候性及降低流阻及强化传热，是今后的重要研究方向。

5结语

强化传热的基本理论主要包括前缘效应、非稳态定扰动、减薄边界层、场协同及流体微元混合混沌混合等几种。自场协同理论提出后，提高了人们对强化传热机理的认识。无因次准则是工程设计中最常用的准则，该方法通过将控制方程组、边界条件的归一化处理，得到翅片的特征尺寸、管子外径及管子与翅片相对位置等无因此量组合，称为换热器的无因次尺度，其实质代表了物理特征空间，因而将决定流体的行为特征，也决定了传热规律与阻力的生成机理，这是管外翅片最基本的单元模型。

对于管外翅片，今后的研究工作是将计算机模拟及实验研究相结合，以期找到约束条件下的优化翅片尺度及操作条件。强化传热技术的进一步应用还要兼顾空气在换热器中温度分布的均匀性和一致性、前后排换热量的匹配以及管程和布管方式等影响。片厚及材料决定了翅片表面效率及接触热阻，有进一步减薄的趋势。

进几十年来，翅片的结构没有发生突破行的改进。只有充分利用CFD数值模拟技术，与生产实践相结合，才能开发出新型高效翅片。进一步的研究应该将场模拟方法与分布参数模型方法相结合，优化换热器结构乃至操作参数，实现管翅式换热器^[7]。

参考文献

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   报，2003，（3）:25-30.

[3]Bernard W G.Heat and mass transfer of fluid system [J].Chemiacal Engineering

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[4] Fiebig M，Valenical A，Mitra N K，Wing type vortex generators for fin-and-tube

    heat exchanger[J],Exp.Thermal and Fluid Science,1993,7:287-295.

[5]辛荣昌，李慧珍，康海军，等.三角形波纹翅管传热与阻力特性的实验研究[J].西安交

    通大学学报，1994,28（2）：77-28.

[6]Tao W Q,He YL,Qu Z G.er al.Application of the field synerpriciple in developing

 new typle heat transfer enhanced surfaces[A]. Proceeding of the 3nd International Symposium on the Heat Transfer and Engery Conservation[C].Guangzhou,2004. (2):921-933.

[7]刘小芳，钟宇.新型管翅式换热器的CFD分析及实验验证[J].安徽工业大学学报，2007,28（2）：77-28.