不同翅片形式管翅式換熱器流動換熱性能比較

考試資料考試資料考試資料考試資料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)的發(fā)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,而且對改進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結構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。本文概述目前國內外空調制冷行業(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(lián)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特性的實驗關聯(lián)式進行總結，并對不同翅片的流動換熱性能進行了比較。正確地選用實驗關聯(lián)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(jù)。關鍵詞：翅片形式；管翅式；換熱器；關聯(lián)式；流動換熱性能Studyonheattransferandflowcharacteristicsoffin-and-tubeheatexchangerswithvariousfintypesAbstract：Withthedevelopmentofrefrigerationandairconditioning,highefficiency,energysavingandmaterialsavingcompacttypeofheatexchangerisdevelopment,asonekindofcompactheatexchanger,fin-and-tubeheatexchangerhasawideapplicationinfuture.Itisnecessarytodevelopcompactheatexchangerwhichismoreenergysavingandmaterialsavingtoimprovetheheatexchangerthermalefficiencyandtheoverallperformanceofheattransfer.Thispapersummariestheheattransferandpressuredropcorrelationsofdifferentfinsurfaces,andthecorrespondinginfluencingfactors.Theheattransferandfrictioncharacteristicofthesekindsoffintypesarecompared,andtheresultsshowthedifferenceofthesefintypes.Theappropriatecorrelationandevaluationcriterionwillprovidereliablefoundationtothedesignandoptimizationofcompactheatexchangers.Keywords：Fin-and-tubeheatexchanger;Heattransferandflowcharacteristics;Experimentalcorrelations;Comparison目錄1緒論31.1課題背景及研究意義31.2管翅式換熱器簡介31.3管翅式換熱器的特點41.4管翅式換熱器的換熱過程41.5研究現(xiàn)狀51.5.1國外實驗及模擬研究進展51.5.2國內研究現(xiàn)狀和數(shù)值模擬61.5.3管翅式換熱器及發(fā)展趨勢81.6管翅式換熱器的不同形式的翅片研究現(xiàn)狀92影響翅片換熱和壓降性能的主要結構因素122.1翅片間距對換熱特性和壓降特性的影響122.2管排數(shù)對換熱特性和壓降特性的影響122.3管徑對換熱特性和壓降特性的影響132.4管間距對換熱特性和壓降特性的影響133．不同翅片經驗關系式總結及比較14平直翅片經驗關系式的總結14波紋翅片經驗關系式的總結18百葉窗翅片經驗關系式的總結23開縫翅片經驗關系式的總結264．四種翅片經驗關系式比較31結論39參考文獻40致謝431緒論課題背景及研究意義換熱器是國民生產中的重要設備，其應用遍及動力、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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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，并且在某些工業(yè)企業(yè)中占有很重要的地位。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(lián)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)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)的合理性與有效性的要求不斷提高，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。管翅式換熱器簡介換熱器是熱力系統(tǒng)的關鍵設備，管翅式換熱器是比較常用的換熱器結構形式。翅片分為單、雙或多排結構。這種形式的換熱器具有結構簡單，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。管翅式換熱器的基本結構是由翅片、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，兩邊以封條密封而組成一個個基本單元。管翅式換熱器的芯體則是由多個這樣的單位組成。如果對各個通道進行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、管翅式換熱器內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若干曾假翅片層。在芯體的兩段配置適當?shù)牧黧w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基本的原件，傳熱過程主要是依靠翅片來完成的，一部分直接由板來完成。翅片與隔板的連接均為焊鉗，因此大部分熱量經翅片，通過隔板傳到了冷流體。由于翅片傳熱不隔板是直接傳熱，故翅片又有“二次表面”之稱。二次傳熱表面一般比一次傳熱表面的傳熱效率低。翅片除承擔主要的傳熱任務外，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。管翅式換熱器的特點1、高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在3000~4500代@1m2?℃由，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。2、結構緊湊：板式換熱器板片緊密排列，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，面積相同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，隨時可以打開清洗，同時由于板面光潔，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(xiàn)泄露，介質總是向外排出。管翅式換熱器的換熱過程在空調中，換熱器的結構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表面的的冷空氣（常溫），通過不停吹入新的冷空氣達到增強冷卻的目的。管翅式換熱器的翅片結構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結構對流體流動和換熱過程的影響。研究現(xiàn)狀國外實驗及模擬研究進展1973年，Rich^實驗研究14種不同結構平翅片，結果表明，在其研究范文內，，翅片間距不影響傳熱效率，單根管子的壓降和管排數(shù)無關。1974年，Saboya等儂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(shù)，總結出翅片表面局部Sh數(shù)的分布;得出翅片管上游的局部換熱系數(shù)較高，下游的局部換熱系數(shù)較低。1978年，McQuistone得出特定結構參數(shù)下的翅片換熱及壓降關聯(lián)式。而后Xu⑶］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(shù)，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，混合網格能快速達到收斂，并很好與實驗結架達到一致。1996年，RammohanRao^等實驗研究水平翅片自然對流和輻射換熱的關系。借助干涉儀和數(shù)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(lián)式。1998年，Abumadi［48］等人提出前人得到的換熱及壓降關聯(lián)式對結構參數(shù)要求過十局限，對28種不同結構參數(shù)的翅片管換熱器進行實驗，風速范圍內為l-20m/s，分析管排數(shù)、翅片的厚度、翅片間距以及管排間距等參數(shù)對換熱因子與摩擦因子的影響。實驗表明：翅片類型影響換熱因子和摩擦因子，管排數(shù)對阻力系數(shù)幾乎無影響;翅片厚度越小，傳熱性能越好。同年，乂6丫?械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。川2門5^等口9］對百葉窗形式的翅片管換熱器用Star-CD進行了二維與二維數(shù)值模擬。1999年，Wang”］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基礎上，用三種方法增加條縫翅片，做大量實驗檢測換熱器性能，實驗結果表明：換熱系數(shù)和壓降值隨翅片密度的增加相應增大。2001年，乂6丫m42］又對翅片管換熱器的入口處中氣流動損失進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)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(shù)。在文獻［42］考試資料考試資料考試資料考試資料---考試資料中，作者對9種結構不的雙金屬螺旋翅符進行了傳熱和阻力性能的分析。水在管內流動，交氣垂直流向管子，為獲得傳熱系數(shù)采用NTU法，給出了氣側壓降關于幾何參數(shù)的關聯(lián)式。結來表明，空氣側的傳熱系數(shù)比文獻中關聯(lián)式大20%左右，;空氣被冷卻得到的換熱系數(shù)比空氣被加熱得到的換熱系數(shù)大。研究發(fā)現(xiàn)，翅片間距降低，管排數(shù)倍加，其余結構參數(shù)不變的情況下，空氣側換熱系數(shù)降低：針對不同排管的換熱器，以管外徑為均最進徑應數(shù)變化范圍從500到900,翅片間距從⑸口⑺⑺降低到7方⑺⑺,空氣側換熱系數(shù)會降低大約10%;同翅片間距情形下，管排數(shù)從1增加到4，換熱系數(shù)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等口三維數(shù)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，Naphon^^擬研究波紋片結構參數(shù)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緊密性的好方法。2010年，ChoM等對34個不同結構尺寸的換熱器進行實驗研究，得出結論：不連續(xù)的翅片換熱器的j因子方程式與式結構尺相關，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M對平翅片管空氣側換熱特性模擬。以前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(shù)、翅片間距、管徑尺寸、翅片長度和翅片厚度等幾個方面討論，得出換熱值更加精確，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。作者研究了在翅片表面開廠角翼處理，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，AslamBhutta用總結CFD在換熱器研究領域的應用以及實現(xiàn)模擬效染所使川的算法。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具。國內研究現(xiàn)狀和數(shù)值模擬數(shù)值模擬的基礎是數(shù)值傳熱學，數(shù)值傳熱學是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法，通過計算機求解的一門傳熱學與數(shù)值方法相結合的交叉學科。數(shù)值傳熱學的基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(shù)方程（稱為離散方程）。求解所建立起來的代數(shù)方程從而獲得求解變量的近似值。數(shù)值模擬研究方法主要集中在下面兩個方面：（1）幾何參數(shù)對換熱及流動的影響；（2）雷諾數(shù)Re對換熱及流動的影響。通過數(shù)值模擬可以得到整個流場的基本信息，再通過計算得到想要的性能參數(shù)（如Nu、壓差AP、換熱因子j、阻力因子￡等等），對這些數(shù)據(jù)進行對比觀察，得到所要結果。王先超、水黎明［40］等人，通過對波紋翅片數(shù)值模擬的分析，得出了影響波紋翅片換熱因子）和阻力因子￡的因素，同時把不同雷諾數(shù)口6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）進行了分析比較。結果發(fā)現(xiàn)：翅片厚度對波紋翅片的換熱因子j和阻力因子￡影響不大，但翅片間距S￡對波紋翅片的阻力因子f影響較大；雷諾數(shù)Re在400-2000范圍內時，波紋翅片的換熱因子j是同雷諾數(shù)下矩形翅片的2~28倍之間，阻力因子f是同雷諾數(shù)下矩形翅片的28-4倍；雷諾數(shù)在2000-10000范圍內，波紋翅片的換熱因子j是同雷諾數(shù)下矩形翅片的2-28倍之間，阻力因子f是同雷諾數(shù)下矩形翅片的35-4倍；波紋翅片與矩形開縫翅片的阻力因子j隨雷諾數(shù)的變化很小，兩者非常接近。李媛［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，利用標準匕^雙方程湍流模型求解三維Navier-St。kes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，不同結構參數(shù)和操作參數(shù)對翅片表面換熱與流動的影響，并將不同實驗參數(shù)下的數(shù)據(jù)制作成曲線圖表，發(fā)現(xiàn)3種翅片的換熱因子j和阻力因子f隨雷諾數(shù)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(shù)值模擬方法應用于翅片表面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表面換熱與流動性能的影響規(guī)律，結果發(fā)現(xiàn)：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種翅片在相同操作條件下的）因子和￡因子進行比較發(fā)現(xiàn)：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表面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(shù)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行了數(shù)值模擬研究。通過對傳熱系數(shù)，Nu數(shù)，壓降以及渦量分布的對比分析，結果表明：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，由于漩渦的形成與分離，減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)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，翅片表面的換熱系數(shù)、Nu數(shù)以及壓降也隨之增加。在相同的模擬條件下，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別，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(shù)學模型。作者以波紋形翅片表面為研究對象，利用Fluent軟件，進口條件設置為流量進口，出口條件為壓力出口，翅片表面和隔板設置為壁面，并在進出口處分別設置延伸段來使流場充分發(fā)展。采用標準k-s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(shù)對翅片表面?zhèn)鳠崤c流動阻力的影響，發(fā)現(xiàn)：阻力系數(shù)隨著進口流速的增大而減小。通過分析得到了阻力系數(shù)與平均流速的擬合函數(shù)，計算結果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，更進一步說明CFD方法的可行性?？傊?，可供使用的多種翅形j因子和f因子數(shù)據(jù)已有不少，但可供設計計算使用的擬合關聯(lián)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換熱和流動的本質，并建立j因子和f因子數(shù)據(jù)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行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(shù)文獻中針對管排數(shù)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表面的流動與換熱特性的研究主要集中在實驗研究方面，由于其結構的復雜性，數(shù)值模擬工作開展的較少。然而實驗只在一定范圍內對換熱及肌力特性進行研究，獲得具有很大局限性的經驗關聯(lián)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行細致的研究。管翅式換熱器及發(fā)展趨勢20世紀60年代以前，普通的管翅式換熱器多采用表面結構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達到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進管式換熱面的過程中最早也是最成功地發(fā)現(xiàn)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(xiàn)結構優(yōu)化，并對其換熱性能與改進前換熱器進行對比計算，提高了換熱器的傳熱系數(shù)。本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統(tǒng)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表面沉積，空氣由于除濕作用相對濕度降低，沿氣流方向翅片盤管表面結霜量是遞減的，如果采取變片距結構，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)器采用變翅片間距結構時，實際上已構成了翅片的錯列分布，當空氣橫掠錯列翅片時，翅片的交錯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，翅片的前半部分換熱加強，后面的翅片的分布又使得流道變窄，流速提高，翅片后半部分的換熱也得到強化。通過變翅片間距的結構改進，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(shù)，且采用變翅片間距結構的冷風機比等翅片間距結構冷風機的傳熱系數(shù)提高了9.8％，且傳熱面積有所提高，通過提高傳熱系數(shù)和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的。加強管內流體流動，管內壁加工變螺距內螺紋。在不增大整體設備尺寸的前提下，增加其內表面換熱面積，加強管內流體的擾動，在原有換熱器的管內壁上加工變螺距內螺紋。當管內工質換熱系數(shù)較大而管外工質換熱系數(shù)較小時，管外的對流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴展表面，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。管內表面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(shù)進行強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)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(xiàn)的溝槽、凸肋，會破壞貼壁層流狀態(tài)，抑制邊界層的發(fā)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，可致使邊界層分離，流體主體徑向溫度梯度減小，有助于熱量傳遞的進行。在已加工好的管壁內部加工變螺距內螺紋，不但可以擴大管子的內表面積，增加傳熱面積，并且由于管子不再是光管，內部有螺紋所以內壁變得粗糙，可以破壞層流邊界層，使管內的制冷劑的流態(tài)變成紊流，從而提高管內對流換熱系數(shù)。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(shù)。管翅式換熱器的不同形式的翅片研究現(xiàn)狀翅片的形式，到目前為止一出現(xiàn)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(xiàn)狀：（1）平直翅片Rich^發(fā)現(xiàn)翅片間距對傳熱系數(shù)有著顯著的影響，而管排數(shù)對空氣壓降幾乎沒有什么影響。$口@「r0叫31在研究此問題時指出，邊界層的發(fā)展是制約但排灌換熱特性的重要因素。Torikoshi對板間通道進行了三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)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，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。RicardQ5i]也對板間的流體行為進行了三維模擬，他借助可視化實驗技術，揭示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佳值。考試資料考試資料---考試資料（2）波紋翅片及開縫翅片BemardM］對波紋翅片通道內傳熱機理進行研究，發(fā)現(xiàn)存在臨界口6,管排數(shù)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。Goldstein⑶睬用質熱比擬技術進行研究，認為波紋翅片的傳熱比平直翅片提高45%。Nakayama^對3種結構的開縫翅片進行實驗研究，得到了傳熱和流阻的關聯(lián)式。DeJong^等人研究發(fā)現(xiàn)，流體通過條縫后漩渦首先在下游出現(xiàn)，隨著口6的下降而下降。（3）百葉窗翅片瓦巾0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%。Tom等人在Fiebig等人的基礎上，進一步安裝1350起渦器，實驗發(fā)現(xiàn)阻力將降低34%~55%。Leu等人對橢圓管、圓管百葉窗換熱器進行了數(shù)值模擬研究，結果表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，對比橢圓管與圓管的總體換熱行為，發(fā)現(xiàn)橢圓管的強化傳熱能力沒有人們以前預想的好。國內翅片的發(fā)展現(xiàn)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行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)翅片艱巨對傳熱的影響依賴于臨界雷諾數(shù)口6。對于層流，翅片艱巨增加，換熱下降，阻力減少，且2排管的性能優(yōu)于3排和4排。何江海則進行雙排管整體翅片的數(shù)值模擬，得到了速度與壓力場分布，氣體速度在0.5~3.5m/s內，對流給熱系數(shù)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(xié)同原理總體平均分析表面，橫向管距越小，縱向管距越大，場協(xié)同性越好（2）波紋翅片辛榮昌［19］的研究表明，翅片艱巨的影響受控于管排數(shù)，翅片艱巨越小，阻力系數(shù)f越大，而且管排數(shù)對阻力系數(shù)的影響很小。川@門0閩的研究表明，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%，壓降增大66%~140%。張恩澤［20］的研究發(fā)現(xiàn)，從單位體積或單位阻力換熱量來說，翅片間距為3.26~3.33mm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，引入緋聞大流動提高了流體微元的局部混合及分布的橫向均勻性。（3）百葉窗翅片張智［45］采用即?2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。結果表明，迎風側的強化傳熱成都高于被背風側。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)開縫翅片亞@門0［15］研究了12種開縫翅片結構，發(fā)現(xiàn)翅片間距對傳熱和壓降有顯著影響。管排數(shù)為1時，翅片艱巨減小傳熱增大。管排數(shù)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管徑的研究表明，當Re<2000時，單排管換熱性能大于多排管。1@。［53基于場協(xié)同理論，通過數(shù)值模擬研究，根據(jù)翅片背風側場協(xié)同能力較弱，而前緣的較好，提出了前疏后密的新結構，在阻力幾乎不上升的情況下，傳熱可提高20%以上。開縫翅片利用間斷表面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更深入的研究。2影響翅片換熱和壓降性能的主要結構因素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(shù)口6口合5000的情況下，換熱系數(shù)隨著翅片間距的減小而增大，在高雷諾數(shù)口6口05000的情況下，翅片間距對換熱系數(shù)的影響較小可以忽略。當管排數(shù)3M）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(shù)將造成沿翅片的渦流出現(xiàn)，因此這時翅片間距的對換熱系數(shù)的影響可以忽略不計。Torikoshi[29]etal（1994）曾對單管平翅片進行了3D數(shù)值分析，他們的研究發(fā)現(xiàn)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。對于間斷式翅片（條縫形翅片和百葉窗翅片）;由于兩者雖然在換熱機理上相同，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N24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，當達到臨界雷諾數(shù)時，間斷表面將造成渦旋脫落，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。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%。管排數(shù)對換熱特性和壓降特性的影響對于平翅片：對于管排數(shù)N=1,2,or4時，當ReDc<3000時，由于邊界層的影響，換熱因子將隨管排數(shù)的增加而減小。為磯即1997）指出在低雷諾數(shù)的情況下，由于流速場和溫度場均保持層流，因此在任意翅片間距下，換熱系數(shù)將隨著管排數(shù)的增加而減小;然而當ReDc>3000時，管排數(shù)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內部的分布，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(shù)，并且管排數(shù)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(shù)下管排數(shù)沒有對換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)有明顯的影響;而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會隨著管排數(shù)的增加而增加。2）對于順排管布置，在低雷諾數(shù)下?lián)Q熱系數(shù)會由于邊界層厚度的增加而減小;而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會隨著管排數(shù)的增加而增加。間斷式翅片（條縫形翅片和百葉窗翅片）：對于條縫形翅片：當Re<1000時，第一排管的換熱性能大于其它的管子；當Re>1000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Wang^etal對緊湊條縫結構管排數(shù)為1、2、3換熱器的研究發(fā)現(xiàn)，管排數(shù)對摩擦因子的影響相對較小。但是口?<1000時，翅片間距Fp=1.2mm時，換熱特性會隨著管排數(shù)的增加急劇降低。對于多排管，當Re>1000時，管排數(shù)的影響十分小。2）對于百葉窗形翅片;當ReDc<2000時，管排數(shù)對換熱特性有顯著的影響，換熱因子會隨著管排數(shù)的增加而減??；當ReDc>2000時，管排數(shù)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(shù)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。換熱系數(shù)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(shù)。如：對百葉窗翅片，當迎面風速Vfr<1.5mm/s時，采用小管徑的多排管結構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(xiàn)縱向管排間距Pl=22mm的壓降與Pl=19.05mm的壓降差別不大，管排間距對換熱特性和壓降特性的影響有大。對間斷式翅片表面的研究發(fā)現(xiàn)，百葉窗翅片，在干工況下縱向管排間距Pl=22mm和P1=19.05的換熱特性差別不大，但Pl=22mm的壓降損失要比Pl=19.05mm的壓降失大6%~12%,如：雷諾數(shù)Re=1000時，Pl=22mm的摩擦系數(shù)要比Pl=19.05mm的摩擦系數(shù)大28%;而雷諾數(shù)Re=5000時，Pl=22mm的摩擦系數(shù)要比Pl=19.05mm的摩擦系數(shù)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?？荚囐Y料考試資料考試資料考試資料3不同翅片經驗關系式總結及比較3.1平直翅片經驗關系式的總結管翅式換熱器有很多種不同的翅片形式，比如波紋翅片、百葉窗翅片和開縫翅片等。強化翅片表面相比較平直翅片來說能夠顯著增強換熱系數(shù)，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。在過去很多年內許多研究者致力于研究平直翅片的換熱特性和阻力特性，川@門0［1-5］等人從1971年開始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)表的經驗關系式是由McQuiston提出的%但是Gray和川6匕比7］指出其摩擦因子的預測能力非常有限。Gray和Webb『曲經驗關系式對摩擦因子的預測能力有了很大的提高，而換熱經驗關系式主要還是McQuiston6］提出的經驗關系式的內容。需要指出的是Gray和Webb「的經驗關系式主要范圍是較大的管徑、較大的橫向管間距、較大的縱向管間距和較多列數(shù)的管束。其關于j因子的關系式為⑺：PFj=0.14Re-0.328(t)-0.502(s)0.0312(3」)4DcPDlc)-0.031)0.607(4-N)（3-2）)-0.031)0.607(4-N)（3-2）jDcN把Gray和Webb『曲經驗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驗關系式進行了修正［1］，如下：PFj—0.357Re-0.328(t-)-0.502(-s-)4DcPDP

0.0312(—t-)-1.28Dc（3-3）其中，Re是基于tubecollardiameter的雷諾數(shù)。DWang,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(xiàn)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)表過的關系式大部分是基于管徑較大的管子，比如說管徑為9.52印印，12.7印印和15.8mm。而對于較小的管徑比如說7.94mm，7mm和6.35mm的數(shù)據(jù)根本沒有。文獻⑻提供的空氣壓縮機中冷器的管徑為8mm，10mm，12mm和14mm°Wang等人在文獻⑵中給出以下經驗關系式：對于管束列數(shù)N=1時，PFj=0.108Re-0.29(t)j1(一)dcPDlcFF-1.084(-p-)-0.786(—p~)j2(3-4)htj1=1.9-0.23ln(Re)(3-5)D

cj2=-0.236+0.126ln(Re)(3-6)D

c對于管束列數(shù)N>2時，F(xiàn)FFj=0.086Rej3Nj4(一)j5(一)j6(j)-0.93(3-7)DcDDPcht0.042NFj3=-0.361+0.158ln(N(1)0.41)(3-8)ln(Re)DDc

c0.076(P/D)1.42j4=-1.224—lh(3-9)ln(Re)D

c0.058N

j5=-0.083+(3-10)ln(Re)DcRej6=-5.735+1.21ln(—胃)(3-11)N摩擦因子f的經驗公式為:PFf=0.0267Ref1(Qf2(-p)f3(3-12)DcPDlcPf1Pf1=—0.764+0.739-l—0.177——(3-13)DNc64021f2=—15.689+:(3-14)log(Re)eDc15.695f3=1.696-(3-15)log(Re)eDcWang等人皿和口匕比28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N=1或2并且300<Re<3000時，換熱D系數(shù)隨著翅片距的減小而增加，當Re>5000時，翅片距對換熱效果的影響可以忽D略。當N>4并且Re>2000時，翅片距對換熱系數(shù)的影響可以忽略。當管束列數(shù)D較大翅片距較小時，荏低雷諾數(shù)區(qū)域管束列數(shù)對換熱效果的影響尤其顯著。而管束列數(shù)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(shù)的影響是非常小的［3］。Wang等人還對潮濕環(huán)境下的翅管式換熱器進行了研究⑷。在潮濕的工作環(huán)境，翅片的表面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j因子對于進口的相對濕度相對他不敏感，因此j因子的經驗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。相對濕度對范寧(Fanning)摩擦因子的影響在摩擦因子經驗關系式里由冷凝膜(condensatefilm)的雷諾數(shù)Re來表示。filmj因子的經驗關系式為：j=19.36ReDj1(D)1.352(P)0.6795N-1.291(3-16)FPj1=0.3745—1.554(一)024(1-)0.12N-0.19(3-17)DPfET(Fanning)摩擦因子f的經驗關系式為:f=16.55Reff=16.55Ref1(10義Re)f2(filmAPF—o-)f3(1)f4(__p_)—0.5827APDpoth/Dh、(eDc)—1.117(3-18)(9Re)(9Re)(3-19)

filmFf1二—0.7339+7.187(j)2.5loglAFf2=-0.5417log(—o-)(-^p)0.9(3-20)eADpocPf3=0.02722log(6Re)(一)3.2log(Re)(3-21)efilmPeDctADf4=0.2973log(「)log(十)(3-22)eAeDpoc在文獻⑸中，Wang等人指出，在低雷諾數(shù)時，平直翅片管翅式換熱器的最大j因子發(fā)生在較大的管子列數(shù)和較小的翅片間距；試驗數(shù)據(jù)表明管束列數(shù)對f因子的影響很小。對于6列管子的換熱器，當雷諾數(shù)低于2000時，換熱系數(shù)有了很大的減小，而當雷諾數(shù)在2000到7500之間時，管束列數(shù)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j因子和f因子的影響都可以忽略。其經驗關系式為：TOC\o"1-5"\h\z6Fj=0.394Re-0.392(-f)-0.0449N-0.0897(j)-0.212(3-23)DcDDcc6Ff=1.039Re-0.418(-f)-0.104N-0.0936(一)-0.197(3-24)DcDDcc在國內，康海軍歸］研究了3種翅片間距(分別為2.0印印、2.6印印和3.2印印)和3種管束列數(shù)(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Re<(2~3)*103范圍內，隨著翅片距的增加，換熱系數(shù)是降低的，并且隨著Re數(shù)的增加，翅片距對換熱效果的影響逐漸減弱。當Re>(2~3)x103時，隨著翅片距的增加，換熱系數(shù)是增加的，并且隨著Re的增加，翅片距對換熱效果的影響逐漸增強。在相同的Re數(shù)下，翅片距越小，阻力系數(shù)越大；在相同的翅片距下，隨著Re數(shù)的增加，阻力系數(shù)曲線逐漸趨于平坦。康海軍［9-19］還對管數(shù)列數(shù)的影響進行了分析，他認為Re=560~4.5*104范圍內，相同翅片距下，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別；在相同的翅片距下，不同的管束列數(shù)的阻力系數(shù)相當接近，在工程計算所允許的誤差范圍內，可以認為管束列數(shù)對阻力系數(shù)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：FNPNu=0.982Re0.424()-0.887(——匚)-0.159(3-25)DcDDccFf=5.504Re-0.454()-0.94(3-26)DcDc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行了實驗，指出風速對風側阻力的影響并不相同：在較少管束列數(shù)時，風速的影響顯著些；而隨著管束列數(shù)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行了數(shù)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。對上述公式進行比較，如表1所示，發(fā)現(xiàn)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波紋翅片經驗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：(@)人字形波紋翅片(匕)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量，常常用到強化換熱表面。波紋翅片是用來提高換熱效果的幾種常用翅片形式之一。波紋翅片表面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。亞@門0等人對管束列數(shù)和翅片的排列形式進行了研究［14］。當管束以錯排方式排列時，f因子隨著雷諾數(shù)的增大而減小，并且除了管束為1列之外f因子隨著管束列數(shù)的改變并沒有變化。1列管束的f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f因子比多列管束的f因子低10%到20％。對于2列、3列和4列管束來說，當雷諾數(shù)小于900時，試驗數(shù)據(jù)顯示隨著管束列數(shù)的減少換熱系數(shù)稍稍有點增大。當雷諾數(shù)大于900時，換熱系數(shù)隨著管束列數(shù)增大而增加。其原因是在高雷諾數(shù)區(qū)域時，下游空氣能夠混合的更好。當雷諾數(shù)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(shù)的影響就顛倒過來。同時試驗數(shù)據(jù)表明翅片距對換熱系數(shù)幾乎不起作用。對于管束以順排方式排列時，管束列數(shù)對f因子的影響很小，然而相比較錯排方式，管束列數(shù)對換熱系數(shù)的影響卻很大。在低雷諾數(shù)時，換熱系數(shù)先隨著管束列數(shù)的增加而減小，在高雷諾數(shù)區(qū)域，管束列數(shù)的影響幾乎可以忽略，臨界雷諾數(shù)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(shù)區(qū)域傳熱邊界層

增加，并且在高雷諾數(shù)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j因子和f因子的經驗關系式為：1.201(lnReO)2.921D1.201(lnReO)2.921D

c(3-27)f=16.67A

(—o)(ln(Re))264ADtc-0.096N0.098(3-28)Wang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］進行了研究，給出了相應的換熱效果和阻力特性的經驗關系式。較小管徑波紋翅片管換熱器的經驗關系式如下［15］：FPj-0.324Rej1(—)j2(tan0)j3(j)j4N0.428(3-29)DcPPFPj1--0.229+0.115(一)0.6(——)0.54N-0.284ln(0.5tan0)(3-30)ch0232N1.37(3-31)j2--0.251+.(3-31)Dc-1.73N-0.93Dc-1.73N-0.93(3-32)tFj3--0.439(y)0.09hj4-0.502(ln(Re)-2.54)(3-33)DcFADf-0.01915Ref1(tan0)f2(一)f3(ln(—))-5.35(—h)1.3796N-0.0916(3-34)DcPADFAf1-0.4604-0.01336(—)0.58ln(—)(tan0)-1.5(3-35)PAFAf2-3.247(j)1.4ln(一)(3-36)PA-20.113f3(3-37)ln(Re)Dc較大管徑波紋翅片管換熱器的經驗關系式如下［16］：

PFPj=1.79097Rej1(—i~)-0.456N-0.27(__p.)-1.343()0.317(3-38)TOC\o"1-5"\h\zDc8DXfcfPFPj1=-0.1707-1.374(鏟)-0.493(—p)-0.886N-0.143(―d-)-0.0296(3-39)fcfPf=Pf=0.05273Ref1(一DcXf)f2(j)f3(ln(~))-2.726(h)0.1325N0.02305(3-40)PADPd^~Pd^~)-0-2(3-40)Xff1=0.1714—0.07372(一)0.25ln(一)(PAFAf2=0.426(—p-)0.3ln(o)(3-41)PAf3=-f3=-10.2192ln(Re)Dc(3-42)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驗關系式，如下：當管束以錯派方式排列，Re<1000,N=1,2時，Dc上=1.35-0.162N(3-43)3當Re>1000,N=1,2時，Dcj=0.987-0.01N(3-44)j3當N>3時，PFXPj=0.394Re-0.357(一)-0.272(—)-0.206(—f)-0.558(-d-)-0.133(3-45)TOC\o"1-5"\h\z3DcPDPFlcdsPFxf=4.467Re-0.423(一)-1.08(1)-0.0339(f-)-0.672(3-46)fDcPDPlcd對于管束以順排方式排列，關于j因子和f因子的經驗關系式為:當Re<2000,N=4時,Dc

Fj4=0.238Re-0.528(f)-0.635j4DcDc當Re<2000,N=2,3時，DcL=1.350-0.097N(3—48)j4當Re>2000,N=2,3,4時，DcFj=0.37Re-0.186()-0.045(3-49)DcDcFf=0.571Re-0.601(一)-0.82(3-50)fDcDc其中，f是指相對翅片面積的摩擦系數(shù)。fWang等人通過對人字形波紋翅片進行試驗研究陰，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］給出的經驗關系式為：當Re<1000時，DcDFFTOC\o"1-5"\h\zj=0.882Rej1(『)j2(f)j3(s~)-1.58(tan0)-0.2(3-51)DcDPDhtcj1=0.0045-j1=0.0045-0.491Re-0.0316-0.0171lnD

cPD(Ntan0)(一)-0.109ln(Ntan0)(—c~)0.542+0.0471N(F—s-)0.984(DcF、-s-)-0.349Pt(3-52)j2=-2.72+6.84tan0(3-53)j3=2.66tan0(3-54)FPf=FPf=4.37Ref1(s~)f2(j)f3(DcDPht-)0.2054Nf4Dh(3-55)f1=-0.574-0.137(ln(Ref1=-0.574-0.137(ln(RePDF)-5.26)0.245(—J)-0.765(-c)-0.243(—sDcDDDchh)-0.474(tan0)-0.217N0.035(3-56)f2=-3.05tan0(3-57)f3=—0.192N(3-58)f4f3=—0.192N(3-58)f4=—0.646tan6(3-59)當Re>1000時，D

cDpPj=0.0646Rej1(—)j2(一)-1.03(_i_)0.432(tan6)-0.692N-0.737DcDPDhtc3-60pj1=-0.0545-0.0538tan6-0.302N-0.24(一)-1.3lP0.379(l-)-1.35(tan6)-0.256h(3-61)j2j2=—1.291.77-9.43tan6(—『)0.229-1.43tan6N-0.166-1.08tan6(—s-)-0.174ln(0.5N)(3-62)htP0.383P0.383(—L)-0.247(3-63)tf=0.228Ref1(tan6)f2(一)f3(_u_)f4(_j)DcPDDFf1Ff1=-0.141(p)l0.0512(tan6)-0.472(l)0.35(—t-)0.449tan6N-0.049+0.237tan6(3-64)hf2=—0.562(ln(Re))—0.0923N0.013(3-65)D

cPf3=0.302Re0.03(一)0.026(3-66)DcDcf4=—0.306+3.63tan6(3-67)在國內，辛榮昌［19］對不同管束列數(shù)（分別為2、3、4）及不同翅片間距（分別為2.0mm、2.6mm和3.2印?。┑?個三角形波紋翅片管換熱器進行了傳熱及阻力特性試驗。通過試驗辛榮昌［19］指出管束列數(shù)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Nu數(shù)越大；3排管時翅片間距的影響很?。欢鴮?排管時，當Re數(shù)較高時，翅片距為3.2mm時Nu明顯高于翅片距為2.0mm和2.6mm時的值，但在小Re數(shù)時3種翅片距的差別減小。翅片距為2mm的Nu數(shù)與相同管束列數(shù)下其他兩種翅片距的Nu數(shù)的差別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(shù)越大。辛榮昌［19］還對管數(shù)列數(shù)的影響進行了分析，他認為當翅片間距較小時（2印印和2.6印?。?列管束的Nu數(shù)明顯高于3列和4列管的值，當翅片距較大時（3.2印印），管束列數(shù)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(shù)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(shù)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：FNPNu=0.6869Re0-5182(s)-0.0935(1)-0.199(3-68)DcDDccFNPf=6.477Re-0.3922(s)-0.7356(l)-0.0983(3-69)cc張恩澤等［20］對表冷器的翅片間距對換熱的影響進行了研究，指出對6列管波紋翅片表冷器，在常用翅片距2.4~3.4印印范圍內，不論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3.26~3.33印印時，其性能都是較好的。國內在波紋翅片管換熱器數(shù)值計算［21-22］與性能分析［23-24］上也進行了一定的研究工作。對上述公式進行比較，如表2所示，發(fā)現(xiàn)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。3.3百葉窗翅片經驗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)表面來進行強化傳熱，百葉窗翅片就是非連續(xù)表面的代表形式。百葉窗翅片可應用到汽車方面，比如說散熱器、冷凝器和蒸發(fā)器等，在住宅用空調系統(tǒng)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(shù)。圖3是百葉窗翅片的示意圖。FlatlubeUmver圖3百葉窗翅片示意圖川@門0等人在文獻［34］中對百葉窗翅片提出了如下的經驗關系式：當Re<1000時，DcFLFPj=14.3117Rej1(p)”(h)j3(p)j4(l)-1.724(3-70)DcDLPPcplt

j1=-0.991-0.1055(P))3.1ln(L)(3-71)PLtpN0.55j2=-0.7344+2.1059(——)(3-72)ln(Re)-3.2Dcj3=0.08485(%)-4.4N-0.68(3-73)tj4=-0.1741ln(N)(3-74)當Re>1000時，DcFLPj=1.1373Rej5(-p)j6(—)j7(j)j8N0.3545(3-75)DcPLPlptj5=-0.6027+0.02593(P)0.52N-0.5ln(L)(3-76)DLhpN0.7j6=-0.4776+0.40774(——-)(3-77)ln(Re)-4.4D

cFPj7=-0.58655(一)2.3(一)-1.6N-0.65(3-78)htj8=0.0814(ln(Re)-3)(3-79)Dc摩擦因子的關系式如下：當N=1時，F(xiàn)DLAf=0.0317Ref1(-p)f2(i)f3(—)f4(ln(—))-6.0483(3-80)DcPDLAlcptFLPFf1=0.1691+4.4118(-p)-0.3(j)-2(ln(—))(j)3(3-81)PLPPlptt14.3809f2=-2.6642-(3-82)1n(Re)DcF(3-83)f3=-0.68161n(一)(3-83)lFfFf4=6.4668(p)1.71n(AH)(3-84)tt當N>1時，F(xiàn)DLf=0.06393Ref5(—p)f6(—h)f7(—h)f8Nf9(ln(Re)-4.0)一1.093(3-85)

DcDDLDccpFLAPf5=0.1395-0.0101(j)o.58(j)-2(ln(一))(-u)1.9(3-86)PLAPlpttf6=f6=-6.4367ln(Re)Dc(3-87)f7=0.07191ln(Re)(3-88)D

cFf8=-2.0585(j)1.67ln(Re)(3-89)PDctf9=0.1036ln(%)(3-90)t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，他們表面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表面發(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?lián)Q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行了研究，并給出了如下的經驗關系式［16］：TOC\o"1-5"\h\zFPLj=9.717Rej1(—)j2(一)j3ln(3-1)0.07162N-0.543(3-91)DcPPFltpj1=-0.023634-1.2475(D)0.65(，)0.2N-0.18(3-92)ctj2=0.856etane(3-93)j3=0.25ln(Re)(3-94)D

cTOC\o"1-5"\h\zFPPL(3-95)=2.814Ref1(—p)f2()f3(—+0.091)f4(p)1.958N0.04674(3-95)DcDDPFcctpf1=1.223-2.857(D)。小(p)-0.05(3-96)ctf2=0.8079ln(Re)(3-97)Dcf3:0.8932ln(Re)(3-98)Dc2rf4=-0.999ln(——)(3-99)N川@，0等通過試驗研究，在文獻以中指出，當雷諾數(shù)小于2000時，j因子隨著管束列數(shù)的增加而減小；當雷諾數(shù)大于2000和管束列數(shù)大于1時，j因子對于管束列數(shù)來說相對獨立。這是因為當雷諾數(shù)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(shù)小于2000時，管束列數(shù)對換熱系數(shù)有顯著的影響，六列管的換熱系數(shù)有顯著的減小。當雷諾數(shù)大于1000時，翅片距對換熱系數(shù)的影響可以忽略；當雷諾數(shù)小于1000時，換熱效果隨著翅片距的減小而減弱。文獻［28］給出了關于我@十0。數(shù)和f因子的關系式：0/、PSt=1.554Re-0-59(—)-0.09(—f-)-004(3-100)PlPPll當150<Re<3000時，lf=0.895f1.07P-0.22P0.25P0.26P0.33(3-101)Aflthf=596Re(0.318logReL-2.25)(3-102)AL當Re<150時，lf=10.4Re-1.17P0.05P1.24P0.83P0.25(3-103)Lflth其中，Re是基于翅片距的雷諾數(shù)。L張慕瑾等［29］對3種不同管束列數(shù)的百葉窗翅片管換熱器進行了研究，指出在相同結構的換熱器中，管束列數(shù)越少，對流換熱的換熱系數(shù)越大。在傳熱量一定的情況下，換熱器設計的管束列數(shù)不宜大于3。選擇文獻［25］中的公式，和試驗數(shù)據(jù)進行比較，如表3中所示。3.4開縫翅片經驗關系式的總結開縫翅片是另一種常用的非連續(xù)強化換熱表面。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?lián)Q熱系數(shù)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圖4開縫翅片示意圖關于商用開縫翅片換熱器的試驗數(shù)據(jù)公開發(fā)表的非常有限，Nakayama和Xu⑶在八十年代初對3種不同類型的開縫翅片進行了試驗研究，基于他們的試驗數(shù)據(jù)，歸納出下列經驗關系式［30］：j=j=0.479Re-0.644j1(3-104)Dh8j1=1.0+1093(f)1.24巾0.944Re-0.58FsDhs8+1.097(f)2.09巾2.26Re0.88(3-105)FsDhs(2N-1)SS巾=s^w(3-106)sPP-兀D2/4tlcf=f1(1+0.0105Re)0.575(3-107)Dh8PPf1=7.29Re-0.6(f)-0.6(t)-0.927(t)0.515(3-108)DhFDPpcl由于Nakayama和Xu⑶曲關系式的預測能力是很有限的，川@，0等人網又對12種不同的開縫翅片進行了試驗研究，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(shù)不小于4時，其結果剛好相反；換熱效果隨管束列數(shù)的增加而減弱；摩擦因子與管束列數(shù)的大小幾乎無關。并在Nakayama和Xu⑶］的關系式的基礎上又提出了一個更廣范圍的經驗關系式：SPFj=1.6409Rej1(f)1.16(4)1.37(-p)j2Nj3(3-109)

DcSPD0.1316Nj1=-0.674+0.3769ln(Re)D

cF—p-Dc1.8857N(3-110)ReDcj2=-0.0178+0.996N+ln(Re)Dc26.7N—(3-111)ReDc1244.03F

j3=1.865+pReDDc

c14.37(3-112)ln(Re)D

cSFf=0.3929Ref1N-0.009ln(Re)(一)—2.48(一)f2(3-113)DccSDhcFPf1=—3.585+0.8846一+2.677一(3-114)DPcl157.06f2=-1.5706(3-115)ReDc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,亞@門0等人的又通過對更多的開縫翅片形式進行了試驗研究，在文獻［18］和文獻［34］中提出了更加完善的經驗關系式。在文獻［34］中，Wang等人［34認為對于管束列數(shù)為1時，換熱效果隨翅片距的減小而增強，但是當管束列數(shù)大于2時，其結果剛好相反；當Re<1000時，換熱效果隨管束列數(shù)的增加而急劇減弱；當Re〉2000時，管束列數(shù)對換熱效果的影響較??；對D于較小開縫長度的換熱器，管束列數(shù)的影響可以忽略；摩擦因子與管束列數(shù)的大小幾乎無關。同時川@『0等人［34的經驗關系式為:FSPj=5.98Rej1(-)j2Nj3(—)j4(<-)0.804(3-116)DcDSPchlNFNj1=-0.647+0.1980.458—+2.52(3-117)ln(Re)DReDcDccNNj2=0.116+1.125+47.6ln(Re)ReDD

cc(3-118)j3=0.49+175F/DscReD

c3.08ln(Re)Dc(3-119)j4=—0.63+0.086N(3-120)sFSf=0.1851Ref1(Qf2(f)f3N-0.046(3-121)DcDSchFPf1=-1.485+0.656($)+0.855(k)(3-122)125f2=-1.04-——(3-123)ReDcf3=-0.83+0.117N(3-124)s在文獻［34］中，Wang認為管束列數(shù)對摩擦因子的影響是相當小的，當Re>1000D時，翅片距對換熱效果的影響可以忽略，對于相同的翅片距，當N=1并且Rec<1000D時，其換熱效果比多列管束的換熱器好，但是當Re>3000以后，其趨勢稍稍相反;D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相對重要的角色；對于研究的幾何形狀來看，百葉窗翅片和開縫翅片是可相比較的，在所有方面，非連續(xù)表面在空氣側的相應表現(xiàn)都要優(yōu)于平直翅片，但是需要指出的是，當翅片距和雷諾數(shù)減小時這些相關的優(yōu)越性有可能失去。文獻［34］提供的經驗關系式為：當N>2并且Re<700時，j因子的經驗關系式為DcFPSj=0.09047Rej1(『)j2(a)j3(f)-0.0305N0.0782(3-125)DcDPSclh00312j1=-0.2555—-—0.0487N(3-126)F/DscPj2=0.9703-0.0455Re-0.4986(In―)2(3-127)DcPlFj3=0.2405-0.003Re+5.5349-(3-128)DcDc當Re>700時，j因子的經驗關系式為DcFSj=1.0691Rej4(-)j5(f)j6Nj7(3-129)DcDSchPj4=-0.535+0.017--0.0107N(3-130)l

TOC\o"1-5"\h\zNNNj5=0.4115+5.5756In+24.2028(3-131)ReReReDDD(3-132)SSS(3-132)j6=0.2646+1.0491—In——0.216(~)3SSShhhj7=0.3749+0.0046ReInRe—0.0433Re(3-133)DDcc摩擦因子的經驗關系式為FPSf=1.201Ref1(―)f2(a)f3(~)f4Nf5Nf6(3-134)DcDPSsclhFf1=-0.1401+0.2567ln(D)+4.399e-N(3-135)cf2=-0.383+0.7998ln(D)+5N72(3-136)csFf3=-1.7266-0.1102ln(Re)-1.4501-(3-137)DcDcS/Sln(S/S)f4=0.4034-0.199—s-i+0.4208--(-s-2(3-138)ln(S/S)(S/S)2shsh32.80570.28810.9583f5=-9.0566+0.6199ln(Re)++(3-139)DcInReInNN1.5D

cP1.4601f6=-1.4994+1.209—+(3-140)PNls在國內，李嫵［9］對開縫翅片在傾斜布置的情況下，試驗研究了濕工況條件下的換熱和阻力性能。李嫵在文獻歸］中指出在相同的Re數(shù)和沖擊角0下，隨著翅片間距的增加，換熱和阻力系數(shù)均下降；相同的Re數(shù)和沖擊角0下，隨著析濕系數(shù)C的增加，換熱性能是增加的，但對阻力系數(shù)的影響不明顯。樊越勝［35］對空調設備中常用的2.3mm、2.5印印和2.8印印翅片距的開縫式換熱器在濕工況下的換熱性能和阻力性能進行了試驗分析。文獻［9］中認為入口空氣相對濕度對開縫翅片換熱器在濕工況下的換熱特性和阻力特性均有影響，且隨著入口空氣相對濕度的增加，其換熱特性和阻力系數(shù)均有所增加，但在較大雷諾數(shù)下，Nu數(shù)的差異有減小趨勢；在一定的Re下，析濕系數(shù)C對阻力系數(shù)f的影響不明顯，且不同翅片距的f值差別亦不大；在一定的Re下，析濕系數(shù)C對換熱特性Nu數(shù)的影響，2.5印印和2.8印印翅片距的一致，隨C的增加而略有減??；而2.3印印翅片距的隨C的增加，略有上升；當Re較小時，不同翅片距的換熱特性數(shù)Nu差值不大；在較大Re下文獻閩中的公式，和試驗數(shù)據(jù)進行比較。4．四種翅片經驗關系式比較對上述四種翅片形式選定的經驗關系式，在不同的翅片條件下進行了比較，從而找到最優(yōu)的翅片形式。把四種翅片形式選定的經驗關系式綜合在一起，如下所示。1．平直翅片的經驗關系式當管束列數(shù)N=1時，PFj=0.108Re-0-29(t-)ji()dcPDl當管束列數(shù)N>2時，F(xiàn)F-1.084(--)-0.786(-P-)j2(3—4)htFFF=0.086Rej3Nj4(一)j5(一)j6(j)-0.93(3-7)DcDDPchtPFf=0.0267Ref1(1)f2(一)f3(3-12)DcPDlc2．波紋翅片的經驗關系式當Re<1000時，DcDFFj=0.882Rej1(-c)j2(—)j3()-1.58(tan9)-0.2(3-51)DcDPDhtcFPD=4.37Ref1()f2(一)f3(—c~)0.2054Nf4DcDPDht(3-55)當Re>1000時，Dcj=0.0646ReDDFPj1(D~)j2(P)-1.03(D-)0.432(tan9)-0.692N-0.737(3-60)htcFPDPf=0.228Ref1(tan9)f2(s)f3(1-)f4()0.383(1-)-0.247DcPDDPlcht(3-63)3．百葉窗翅片的經驗關系式當Re<1000時,D

cFLFP=14.3117Rej1(—)j2(—)j3(一)j4(1)-1.724(3-70)DcDLPPcplt當Re>1000時，DcFLPj=1.1373Rej5(j)j6(-h)j7(j)j8N0.3545(3-75)DcPLPlpt當N=1時，F(xiàn)DLA=0.0317Ref1(1)f2(—h)f3(—h)f4(ln(—))-6.0483(3-80)DcPDLAlcpt25.425.4mm，25.4mm，25.4mm，25.4mm，圖12所示。當N>1時，F(xiàn)DLTOC\o"1-5"\h\zf=0.06393Ref5()f6(—h)f7(—h)f8Nf9(ln(Re)-4.0)-1.093(3-85)DcDDLDcccp4．開縫翅片的經驗關系式SPFj=1.6409Rej1(一)1.16(1)1.37(-^p.)j2Nj3(3-109)DcSPDSFf=0.3929Ref1N-0.0091n(Re)(一)-2.48(-)f2(3—113)DcSDhc采用4種不同幾何尺寸的翅片，分別為(1)D=10,3mm,F=1,4mm,P.

cptP=19.05mm,N=2,D-1.6mm;(2)D-10.3mm,F=1.4mm,P:lhcptP-19.05mm，N-4，D-1.63mm；(3)D-10.3mm，F(xiàn)-1.69mm，PlhcptP-19.05mm，N-2，D-1.9mm；D-10.3mm，F(xiàn)-1.69mm，P-lhcptP=19.05mm,N=4,D=2.0mm。對上述四個公式進行比較，如圖5~lh1:1:1:1:考試資料考試資料考試資料考試資料■"-平直翅片J波紋翅片一百葉窗翅片0.1:1001000Re0.1:1001000Refj-0.01二1E-311100100010000Re圖5第一種幾何尺寸翅片換熱和阻力特性比較圖平直翅片一波紋翅片一百葉窗翅片―開縫翅片—10000圖6第一種幾何尺寸翅片j/f比較圖

0.1工0.1工j.0.01二一平直翅片J波紋翅片J一平直翅片J波紋翅片J百葉窗翅片L開縫翅片100100010000Re0.1平直翅片波紋翅片百葉窗翅片開縫翅片—圖7第二種幾何尺寸翅片換熱和阻力特性比較圖0.1平直翅片波紋翅片百葉窗翅片開縫翅片—0.01100100010000Re圖8第二種幾何尺寸翅片j/