文 献 综 述

一、课题背景

我国是一个水资源十分贫乏的国家, 一些地区水资源已成为制约经济发展的主要因素之一, 长江流域^[1]水资源相对丰富, 但水资源利用率不高, 每年都发生不同程度的干旱缺水问题, 更为突出的是长江流域工业和生活废污水排放量占到全国42% ,水环境恶化状况日益严重, 大部分湖泊、相当多的支流、干流岸边和水库受到污染,如何实现水资源的可持续利用^[2]至关重要。

火力发电厂^[3]是一个耗水大户，其中循环水冷却塔的耗水量约占整个电厂耗水量的60%以上。对于淡水资源缺乏的地区，需要降低冷却塔的损耗水量^[4]，提高循环冷却水系统的浓缩倍率，提高循环水处理技术。但传统的空冷技术不仅损耗了大量的可循环用水，而且产生大量工业废水，使水资源得到污染。故而如何改进空冷技术，提高冷却效果成为我们研究的重点。

二、翅片管的研究进展

翅片管换热器在工业和日常生活中得到广泛的应用，如何加强翅片管的换热性能成为国内外研究的重点。国内外的研究人员从翅片结构着手，对翅片管进行深入研究。刘建勇^[5]等人通过数值模拟分析了翅片管流道中的速度场、温度场、压力场的分布，得出翅片管流道换热效率与压降的变化规律，进一步得到了有利于管外强化传热的最优翅片间距^[6]。刘金平和袁玉玲^[7]通过对翅片管蒸发器建立集中参数模型，研究了管排数对变频空调蒸发器换热性能的影响，发现管排数每增加一排，平均每排管的换热量减少18%左右。 Chi Chuan Wang ^[8]等人使用R22对特定尺寸的6种单回路的和2种双回路的布置双排管的波纹翅片的空冷冷凝器进行了试验测试，发现对于单回路的流程布置，逆流的换热性能要高于顺流和叉流，同时提出减少和消除逆向导热的措施。Serge Nyallang Nyamsi^[9]等人通过数值模拟定性地分析了翅片厚度和半径对热交换器性能的影响，并通过数值模拟来验证结果，发现可以通过增加散热片半径和减小翅片厚度来加强传热。从上述研究不难发现，有效地改进翅片管结构有利于提高传热效率。

不仅翅片管的翅片厚度、间距等因素对翅片管的换热有影响，同形状的翅片管对传热效率的影响也是不同的，许多研究人员对此做了深入的研究，王真勇^[10]等人通过螺旋折流板低翅片管换热器和螺旋折流板三维肋翅片管换热器壳程的传热与压降性能的对比研究，发现不同条件下两者性能的优劣。A. Lemouedda^[11]等人通过数值计算，当雷诺数600和2600之间时对翅片管进行对比分析，提出热系统中的螺旋锯齿形翅片管性能改进的方案。J.V. Simo Tala^[12]等人通过Unsteady-RANS的数值模拟，分析了翅片管外形改变对烟气侧的热液压以及熵产率的影响，发现降低管子的椭圆度将大大增强换热器的热工水力性，同时也将大大减少热粘度的不可逆性。何雅玲^[13]等人通过对带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器的空气侧表面的换热和流动特性进行了三维数值模拟，发现带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器使全场的速度和温度梯度之间的夹角减小。苏石川^[14]等人通过对侧置梯形翼纵向涡发生器和平直翅片管换热器在顺排和叉排两种排列方式下的对比研究，得出侧置梯形翼涡流发生器可以有效地改善温度场和速度场的协同性，同时提高其换热能力。上述文献通过研究翅片管的形状^[15,16]来加强翅片管的传热，不同的情况下采用不同形状的翅片管，有利于传热效率的提高。

在当今社会，空调已经普及，在寒冷的地方，室外机结霜对空调的正常工作产生了很大的影响，这同样也是其他换热器所面临的问题。如何使换热器在低温工况下更有效的工作，研究人员进行深入研究。刘凤珍^[17]等人对低温工况下的变化参数对翅片管换热器结霜的影响的研究，获得了变化参数对结霜量和空气侧压降的变化规律。陈焕新^[18]等人发现能量传递系数更准确地反映了结霜工况下换热器的热质交换情况，可以作为系统在霜运行及实时化霜的重要性能参数。苏海林^[19]等人从翅片管换热器设里8个不同的的观测点进行霜层厚度数据采集，表明在不考虑环境风速的情况下，结霜量主要与空气相对湿度、流体在管内的形态等因素有关，且结霜的重点发生在换热器上部和入口处。缪云虎^[20]等人在改进现有霜表面水蒸气过饱和度计算公式的基础上，建立了翅片管换热器结霜过饱和模型，该模型能够有效地预测翅片管换热器结霜过程中的传热和传质现象。上述研究对低工况下翅片管的优化和有效防止结霜具有重要的指导意义。

三、数值模型

在翅片管传热性能优化的研究中，数值模拟都是一个很重要的环节，如何更好地利用数值模型进行研究，诸多研究人员的研究方法值得我们借鉴。李言^[21]等人提出大长径比的翅片管换热过程的数学模型及其有限元模型，对翅片管换热过程中温度场的分布进行数值模拟，从而对翅片管结构进行优化。芮银波^[22]等人提出了一种自动修正翅片管换热器仿真精度的方法，当实验数据较少时可采用简单的多项式回归的形式来建立管外空气侧换热系数修正因子的修正多项式，实验数据较多时采用人工神经网络的方式来得到管外空气侧换热系数修正因子的神经网络关联模型，经修正后换热量误差大大减小。魏文建^[23]等人建立了针对具有复杂流路布置的翅片管换热器稳态通用分布参数仿真模型，模型考虑了实际换热器内部存在的翅片间导热，使模型的建立假设更接近于实际的换热条件，仿真误差小于5% ，完全达到工程运用的要求。C.P.Tso^[24]等人通过热交换器结霜导致传热性能下降现象的研究，推导了在非稳态和准稳态的方式，建立结霜分布式模型，此模型对预测空气冷却器^[25]在不同条件下是否结霜起到很大作用。上述文献侧重于数值模拟^{[26 , 27 ]}，计算机模型在翅片管换热器优化方面的研究。