翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展实验研究.docx
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翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展实验研究
科技报道
翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展
———实验研究Ξ
刘建 魏文建 丁国良 张春路
（上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200030
摘 要 概述目前国内外空调制冷行业中普遍采用的几种不同翅片类型（平直翅片、波纹形、条缝形翅片、百叶窗形翅片的换热特性和压降特性的实验研究进展,通过对这几种翅片类型换热及压降特性的介绍和分析,提出了翅片管式换热器研究中的一些不足。
关键词 工程热物理;翅片管;综述;换热;压降
DevelopmentofStudyonHeatTransferandFrictionCharacteristics
ofFin-and-TubeHeatExchanger-ExperimentalStudy
LiuJian☆,WeiWenjian,DingGuoliangandZhang
☆ShanghaiJiaotongUniversity,China
Abstract Thispaperreviewstherecentdevelopmentofthestudyonheattransferandfrictioncharacteristicsoffin-and-tubeexchangerswithdifferentfinsurfaces.Thefinsurfacetypesinvolveinplainfinsurface,corrugatedfinsur2face,siltfinsurface,andlouverfinsurface.Bystatingandanalyzingtheheattransferandfrictioncharacteristicswithdifferentfinsurfacesthefeatureandapplicationwithspecialfinsurfacearedescribedandthemethodsofimprovementaresuggested.
Keywords engineeringthermophysics;fin-and-tube;review;heattransfer;pressuredrop
1 引言
翅片管式换热器是一种在制冷、空调、化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式。
在空调制冷行业中,对它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性能,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。
由于在传热性能上翅片管式换热器空气侧的换热热阻在整个热阻中占有主要比重,而翅片结构形式和几何尺寸的差异对空气侧的换热性能与流动阻力又起着决定性的影响,因此改进管外空气侧的翅化形式,提高空气侧换热系数已成为空调制冷行业人们关心一个课题。
本文就几种不同强化换热方式下的翅片类型（如:
平翅片、波纹形翅片、条缝形翅片、百叶窗形翅片等的最新研究成果,做概括性的分析和介绍。
2 翅片管式换热器的实验研究进展
人们在进行强化翅片表面换热的研究中,提出了各种强化换热的方法。
总的来说,有以下的几种方法:
一是减小换热管的结构尺寸,采用小管径换热管代替大管径换热管,同时减小管排横向间距及纵向间距。
从目前家用空调中所采用的换热管尺寸来看,其管径有不断减小的发展趋势,从以前的9.52mm,7.94mm,到现在的7.0mm;二是增强空气侧的湍流强度,可通过不断改变气流来流方向,来达到强化换热的目的,主要采用将翅片冲压成波纹形,由此产生了波纹形翅片类型;三是采用间断式翅片表面,将翅片表面沿气流方向逐渐断开,以阻止翅片表面空气层流边界层的发展,使边界层在各表面不断地破坏,又在下一个冲条形成新的边界层,不断利用
Ξ收稿日期:
2002年09月27日
冲条的前缘效应,达到强化换热的目的。
属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等。
以下就国内对这几种强化方式下的翅片类型的实验研究进展作概述介绍,如表1所示。
表1 翅片管式换热器研究一览表
研究者翅片类型管外径
D0（mm
翅片间距Fp
（mm
管排间距
Pl（mm
管列间距Pt
（mm
风速范围
Vfr（mΠs
Richetal
（1973,1975
平翅片13.31.23-8.727.531.80.95-21
McQuiston[1]
（1978
平翅片10.31.78,3.1817.620.30.5-5.9
NakayamaandXu
（1983条缝形
8.4,9.90,
16.30,16.4
1.70,1.90,
2.00,2.50
33,22,1538,38,25-
BeecherandFagan[2]
（1987
波纹片9.525,12.71.4224-4.089419.05-27.5025.4,31.75-
Wangetal[11]（1990,1998波纹片
（wavy
8.58,8.62,
10.38
1.21-3.6619.0525.4-
SeshimoandFujii
（1991平翅片
6.35,
7.94,
9.52
1.0-6.0
17.7,18,20,
22,32
20.4,25.40.5-2.5
张慕瑾[3]等（1994康海军[4]等（1994百叶窗
平翅片
9-8
10.15
2
2.0,2.6,
3.2
22.5
21.65
-
25.00
0.77-6.35
0.5-10.0
Wang[5]（1996~今平翅片7.2,7.3,8.28,
10.0,10.6
1.21-3.21
2.7,19.05,2220.4,21,25.40.3-8.0
何国庚[6]等（1996平翅片16.05.030.3353.3-8
Madietal[6]
（1997平翅片
波纹片
9.956
1.587-4.233
1.820-4.129
16,16.5,22
16.2
19,25.4
25.4
1-20
Wangetal[9,13]（1998,1999百叶窗形
8.71,10.42
10.33
1.49-
2.08
1.21-
2.49
19.05,2225.4
Wangetal[11]（1999条缝形10.341.21-2.482225.4
Wangetal[14]
（1999百叶窗形
6.93,
7.53,
8.71,10.42
1.20-
2.49
12.7,13.6,
19.05,22
17.7,21,25.4
Yunetal[18]（1999平翅片,条缝
形,百叶窗形
7.51.212.7210.5-2.5
Duetal[15]
（2000
超条片7.52,10.321.20-2.5020,2517.32,21.65
Wangetal[5,17]
（2000平翅片
8.53,10.3
7.3,8.28,10.0
1.21-
2.23
1.21-
2.06
19.05
12.7,19.05
25.4
21,25.4
0.3~6.5
Wangetal[16]
（2000百叶窗形10.33
1.21-
2.49
19.05,2225.4
0.4-3.5
（湿工况
Wangetal（2000,2001条缝形
7.5,7.6,
10.32,10.34
1.21-
2.50
12.7,17.32
21.65,22
20,21,25,25.4
张恩泽[19]等（2002波纹形162.479-3.42932.9138.02.5
2.1 平翅片形式由于平翅片换热器在结构和制造上的简单方
便、运用上的耐久性及其较好的适用性,到目前为止,平翅片换热器仍是最为常用的一种翅片管式换热器。
早在1971年,Richetal就对管径为13.3mm,管排间距为27.5mm和管列间距为31.8mm的16种不同结构的平翅片换热器进行了实验研究,实验结果表明翅片间距对换热系数有显著的影响,而管排数对的空气压降几乎没有影响。
1978年,McQuiston[1]发表了第一个基于五种结构参数（翅片间距1.81-6.35mm、管外径为9.96mm、管排间距为22mm、管列间距为25.4mm、管排数为4的平翅片换热及压降通用关联式。
1986年,GrayandWebb又提出了管排数大于4排的实验关联式,其关联式能较好地预测大管径、大管排间距和大管列间距下的换热特性和压降特性。
1991年,SeshimoandFujii在迎面风速为0.5ms-1~2.5ms-1的实验条件下,对21种平翅片形换热器进行了研究。
1994年,康海军[4]等对平翅片在不同翅片间距和管排数的情况下,对9种不同结构的平翅片换热器进行了实验,并提出了在工业常用Re数范围内的换热和阻力性能通用关联式。
1996年,何国庚[6]等分别对16排、26排和32排的平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:
在较少排数时,风速的影响显著些;而随着管排数的增加,风速的影响也趋向稳定。
1996年以来,Wangetal一直致力于翅片换热器的研究,对平翅片换热器也做了大量的研究,同时针对翅片换热器的发展形式,对小管径和小结构尺寸的换热器进行了研究,得出大量十分有价值的研究成果。
2000年,Wangetal[17]对18种不同结构的平翅片管换热器的空气侧换热特性进行了研究,并分析了管排数、翅片间距、管径对换热特性的影响。
指出在不同的雷诺数下,空气侧的换热特性与翅片间距、管排数和换热管管径有十分重要的关系。
Spar2rowetal也对单排及双排管的平翅片换热器进行了研究,指出边界层的发展是单排管换热特性的最重要因素。
涡流的影响只有在高雷诺数的情况下才获得。
2.2波纹形翅片形式:
由于波纹形翅片可以加大空气流道的长度,并且能够对气流造成充分的混合,所以也被空调制冷广泛采用。
Goldstein和Sparrow（1976,Beecher和Fagan（1987,Yoshiietal（1987,Wangetal（1997等,对其均做了大量的实验研究。
1976年,Goldstein和Sparrow[10]采用质量传递技术,对翅片间距1.65mm、换热管直径8.53mm的人字形换热器模型的局部和平均传质系数进行了测定,发现波纹形换热器的传质系数要比平翅片形的高出45%。
1987年,Beecher和Fagan[2]对27种不同结构的换热器进行了实验研究,其中有21种为波纹形翅片结构。
波纹形翅片换热器全部采用错排的方式进行布置。
由于其实验方法采用电加热的方式,并且热点偶预埋在翅片表面,使换热器的翅片效率为100%,并无论考虑接触热阻的影响。
1997年,Wangetal[11]对18种不同结构、以及不同管排排列方式（顺排和错排下的典型波纹形翅片换热器进行了实验研究,试验结果表明,翅片间距对换热因子的影响可以忽略不计,同时管排数对摩擦系数的影响也是可以忽略不计的。
指出波纹形翅片的换热系数要比对应平翅片的换热系数高55%~70%,同时其压降损失要比平翅片的大66%~140%。
1998年,Madietal[8]对28种不同规格的翅片管式换热器（包括平翅片和波纹型翅片进行了测试,测试的风速范围从1~20msΠs,测试的结构参数包括不同的管排数,翅片厚度,翅片间距,管排间距和管列间距。
实验表明:
波纹型翅片的换热因子j和摩擦因子f均比平翅片的大。
主要是由于波纹形翅片改变了空气气流的流动方向,增强了空气的流速,加强了空气在翅片间的湍流强度;但这也同时造成压力损失的增加,进而增大了摩擦因子。
2002年,张恩泽[19]等对表冷器的翅片间距对换热的影响进行了研究,指出对6排管波纹片表冷器,在常用片距2.4~3.4mm范围内,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3.26~3.33mm时,其性能都是较好的。
2.3条缝形翅片形式
对条缝形翅片高效的换热性能,早在1986年,R.S.Mullisenetal就对其换热机理进行了理论研究,接着NakayamaandXu（1983,Mochizukietal（1987,1988,Dejongetal（1997,Wangetal（1999,Duetal（2000等也分别在理论和实验上对条缝翅片管的换热及压降性能进行了研究和分析。
1983年,NakayamaandXu[5]对三种结构的条缝形翅片进行了研究,并对实验结果给出了相应的关联式,但据Garimelletal[7]指出,其关联式具有极大
的局限性。
1997年,Dejongetal等的实验发现,流体通过条缝形翅片时,涡旋首先在下游出现,随着雷诺
数的增加,涡旋出现点向上游前移。
当翅片间距减小时,在较小的雷诺数下,涡旋就开始出现。
这一现象说明,在小的翅片间距下,由于涡旋的产生,换热系数被增强。
1999年,Wangetal[12]对12种条缝形换热器换热特性进行了研究。
结果表明:
1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;然而当N≥4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。
2对于多排管（N=1,2,4,6和FP=1.2mm,2.5mm,当FP=2.5mm时,当ReDC<2000时,换热性能随管排数的增加而迅速降低;当ReDC>2000时,管排数的影响相对较小。
当FP=1.2mm时,换热性能随管排数的增加下降的十分严重。
2000年,Duetal[15]调查发现:
以前的实验研究主要集中在大管径和大管间距,而极少有对小管径下的研究。
因此特针对管径为7.52mm的条缝形换热器展开研究。
研究发现:
1当Re<2000时,单排管的换热性能大于多排管;当Re>2000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后排管的换热系数增大。
2对于翅片密度较大的换热器,如:
F
P
=1.2mm或FP=1.5mm,在ReDC<1000时,换热性能随着管排数的增加明显下
降,3对于多排管,当Re
DC
>2000时,管排数对换热器的影响很小。
2.4百叶窗翅片形式
由于对于百叶窗翅片的研究相对较晚,对于它的研究成果的报道也就相对较少。
有关于它的实验研究只在张慕瑾等（1994,Changetal（1995,Wangetal（1997,和Wangetal（1998的文献中有过报道。
1994年,张慕瑾[3]等对三种不同管排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,管排数越少,对流换热的换热系数越大。
在传热量一定的情况下,换热器设计的排数不宜大于三排。
1998年,Wangetal[9]对17个不同结构的百叶窗翅片管式换热器进行了实验研究,采用的管排数为1,2,4和6,翅片间距为2.05mm~2.1mm。
1当ReDC
<2000时,换热因子随着管排数的增加而减小;当ReDC>2000时,管排数的影响较小。
2当ReDC>1000时,翅片间距的影响可以忽略不计;当ReDC<
1000时,换热特性随着翅片间距的减小而减小。
3当迎面风速V
fr
<1.5mΠs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。
1999年,Wangetal[13,14]分别对干工况和湿工况下,百叶窗形换热器进行了研究。
文献[13]对10种的百叶窗翅片结构换热器和4种平翅片换热器进行了实验研究。
采用换热管直径为9.52mm,纵向管间距分别为19.05mm和22mm。
试验结果显示,对于百叶窗形换热器,纵向管排间距和翅片间距对换热性能的影响很小,而对于平翅片换热器翅片间距对
换热的影响却十分显著;然而当翅片间距F
p
=
1.78mm时,百叶翅片的换热性能比Fp=1.21mm和
Fp=2.42mm的好;纵向管排间距对换热器性能的影响相对较小,管排间距为22mm的换热器比间距为19.05mm的摩擦系数要高。
文献[14]给出了百叶窗式换热器的通用换热和压降关联式,共有149个试验样本的不同结构的换热器（百叶窗间距、百叶翅片的高、长度方向管子的间距、宽度方向管子的间距、管子半径和翅片间距。
指出对于具有双向的、小翅片间距、和大管排数的百叶窗翅片,在低雷诺下,其换热因子将出现“改平”现象;并且对于百叶翅片倾角小的,其摩擦因子也同样较小。
百叶窗式翅片换热器对翅片间距的变化相对不敏感。
2000年,Wangetal[16]以两种百叶窗形翅片在湿工况下的换热性能为研究对象进行了分析。
由于当盘管表面的温度低于空气的相对露点温度时,空气将同时发生传质和传热现象,盘管表面的凝结液膜的产生将严重影响空气的换热特性和摩擦特性。
实验结果表明:
在湿工况的条件下,换热特性对翅片间距和管排数的变化不太敏感,结果与干工况下的特性十分接近。
然而与换热特性不同的是,翅片间距
的变化对摩擦特性有显著的影响,对于F
p
=1.2mm
的换热器比F
p
=2.5mm的换热器摩擦因子大30%~50%。
3 影响翅片换热和压降性能的主要结构因素影响翅片换热和压降的主要结构参数包括:
翅片间距、管排数、管径和管间距等,以下分别进行介绍:
3.1 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R
eDc
<5000的情况下,换热系数随着翅片间距的减小而增大,在高雷诺
数R
eDc
>5000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（N≥4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。
Torikoshietal（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:
F
pΠD=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F
pΠD=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N≥4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F
p
=1.2mm的换热器
要比F
p
=2.5mm的换热器压降大30%~50%。
3.2 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
Re
Dc
<3000时,由于边界层的影响,换热因子将随管排数的增加而减小。
Xietal（1997指出在低雷诺数的情况下,由于流速场和温度场均保持层流,因此在任意翅片间距下,换热系数将随着管排数的增加而
减小;然而当R
eDc
>3000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内部的分布,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。
对于间断式翅片（条缝形翅片和百叶窗翅片;
1对于条缝形翅片:
当Re<1000时,第一排管的换热性能大于其它的管子;当Re>1000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Wangetal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Re<1000时,翅片间距F
p
=1.2mm时,换热特性会随着管排数的增加急剧降低。
对于多排管,当Re>1000时,管排数的影响十分小。
2
对于百叶窗形翅片;当Re
Dc
<2000时,管排数对换热特性有显著的影响,换热因子会随着管排数的增
加而减小;当Re
Dc
>2000时,管排数的影响相对较小。
3.3 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,D
c
=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V
fr
<1.5mmΠs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。
3.4 管排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P
l
=22mm
的压降与P
l
=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,1百叶窗翅片,在干工况下纵向管
排间距P
l
=22mm和P1=19.05的换热特性差别不
大,但P
l
=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,P
l
=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P
l
=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。
4 几点建议
1到目前为止,人们对翅片管式换热器已进行
《制冷学报》2003年第3期了不小研究,但限于条件,大多数研究者的实验范围较窄,故其适用性受到限制。
2对于现有的翅片管式换热器的研究,由于一些客观条件的限制（如:
产品专利等,造成实验研究测试的结构几何参数的不连续性,对于各种翅片类型的实验研究还极不完整。
因此当前的工作之一就是继续加强对管外强化翅片的实验研究,并归纳出较通用的换热及压降关联式。
3对不同翅片类型的强化机理的研究还尚待继续开展,同时结合实验,在理论分析不同的翅片几何结构在强化传热,及其阻力特性的差异。
4同时针对现有的翅片管式换热器的研究,还存在着一些问题,如:
所采用的实验方法上的差异,以及在实验数据处理方法的差异等,都造成所得实验结果的较大差异。
如Beecher和Fagan的实验方法,在实际运用中是无法达到的,其数据的适用性受到严重的影响。
5由于翅片形式的多样性,还没
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