文 献 综 述

1. 课题背景

21 世纪，世界各国更加关注新能源的开发和节能途径的探索^[1]。热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门^[2]。 翅片管换热器作为一种重要的强化传热设备，其性能的提高达到节约能源降低生产的目的，所以对翅片管换热器的研究有很大的意义和经济前景。

2. 翅片管换热器

2.1翅片管换热器的结构原理概述

翅片管的构成主要包括基管和翅片两部分，管路一般为圆管，如图1^[3]，同时也存在椭圆管和扁平管等新型样式。翅片的型式也从结构相对简单的平直翅片逐渐发展成复杂结构型式的波纹片、百叶窗片、开缝片和齿形螺旋翅片等新型换高效翅片。作为目前应用最为普遍的平直翅片管式换热器，其具有构造简单、通用性强、刚度大以及耐用的特点，成为最常用的结构型式，许多学者已经通过试验和模拟两方面的研究，有效地提升了平直翅片管换热器的性能^[4]

图1.翅片管换热器

空冷器是一种常见的翅片管热交换器，它以空气作为冷却介质。其组成部分包括管束、风机和构架等。空冷器按照管束布置方式可分为：水平式空冷器、立式空冷器、圆环式空冷器、斜顶式空冷器；按空气的通风方式可分为：自然通风式空冷器、引风式空冷器、鼓风式空冷器；按冷却方式可分为：湿式空冷器、干式空冷器、干湿联合式空冷器^[5]。

图2.空气冷却器的基本结构

2.2翅片管换热器国内外发展情况

早在20世纪60年代就在传热工程领域内出现了有影响的两大国际性研究集团。对空调用换热器流程布置，国外学者进行大量的研究。他们主要是Ellison^[6]，Oskarsson^[7]， Do-manski^[6]， P A^[8-9]，Liang S Y和Wong T N^[10-11]等。

在最早的研究两器流程布置的文献中，Ellison针对特殊的流程布置提出了一种冷凝器数学模型，该模型基于管对管的计算方法，管排数只局限于两排。随后Oskarsson等利用不同的数学模型对蒸发器和冷凝器流程布置进行了研究。从1991年起, Domanski基于传热单元法，利用管对管的计算模型开发了一套软件EVAP-COND来研究蒸发器和冷凝器的流程布置。

2000年新加坡的Liang S Y和Wong TN将#15794;分析应用于换热器流程布置，建立了翅片管换热器流程布置的分布参数模型。

近年来，流程布置的研究也引起了国内学者的重视，但公开报道的较少，目前只有台湾工研院的Wang Chi-chuan^[12-13]，浙江大学的张绍志^[14]，以及西安交通大学的郭进军等。Wang Chi-chuan在其文献中对包括”Z”字形，”U”字形，”双进双出”等八种双排管冷凝器流程布置进行了实验研究。

3. 空气冷却器的设计

3.1 主要参数

空气冷却器的主要设计参数如下：管内流体温度、设计气温、管排数、迎面风速、高、低翅片管的选用等^[15]。

3.2 设计步骤

（1）确定翅片管的类型

根据管内外两侧流体传热性能进行选择是否需要加设翅片和应该加在哪一侧以及翅片的形式和结构尺寸。

（2）确定空冷器的结构形式

如鼓风式还是吸风式；水平式或斜顶式、直立式。

（3）确定空气冷却器的类别

根据热流体的出口温度决定采用干式空冷器还是湿式空冷器。干式空冷器的几个设计参数：(1)管内流体温度：a.热流体入口温度一般要求为120~130℃左右或以下。b.热流体出口温度与设计空气温度之差至少大于15℃，一般为20~35℃。（2）设计气温：建议所选用的设计气温值为每一年中只允许有五天的时间的实际气温会超过它，即其他天数内出现额实际气温不会比它高。（3）管排数：目前通用的管排数是2、4、6、8排，以4、6排居多。（4）迎面风速：一般介于1.4m/s#8212;3.4m/s。（5）高翅片管的选用：当管内对流换热系数大于2093W/(㎡℃)时，采用高翅片管；对流换热系数在1163~2093W/(㎡℃)时，高低翅片管均可；在116~1163W/(㎡℃)之间时，用低翅片管；低于116W/(㎡℃)时，用光管比翅片管经济。

3.3空气冷却器的强化传热

换热器的强化传热就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量达到最多^[16]。强化传热技术的应用主要表征在设备尺寸缩小，投资省，操作程序简化从而缩小操作成本，获得较显著的经济效益。应用强化传热技术可以用结构相对紧凑的换热设备来传递所需传递的热量，还可以达到以往传统换热器达不到的加热或冷却效果^[1]。换热器的强化途径主要是从管程和壳程两大方面进行强化传热的。

管程强化传热技术：螺旋槽纹管、横纹管、缩放管、波纹管、扁管、微肋管。

壳程强化传热技术：换热器内流体在管束支撑的引导下流动，管束支撑既强化壳程传热，又起到支撑管束，减小振动的作用。工程应用的管束支撑有弓形折流板、折流栅、螺旋折流板和空心环等^[17]。

3.4空气冷却器的优化设计

在本课题中，优化空气冷却器的设计参考了一些各种工况及各种类型的空冷器的优化文献。如：毛新章、王建江等人^[18]在湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算中提出，在满足散热能力的前提下，提出增加干式空冷器散热组散热面积、高翅片散热管以及改变送风装置的改进方案。

（1）干式部分优化设计^[19-26]

以尽可能增大干式部分的传热系数或在场地允许的范围内增大干式部分的传热面积为目的对我国，乃至全球的能源利用具有深远意义。

(1) 翅片管选择　考虑到干式空冷器高翅片比低翅片的传热效果好，翅片管采用高翅片。基于管内工艺流体温度的考虑以及各种翅片管的耐温性能，翅片管选择LL型。

(2)估算干式空冷器面积　以空气出口温度t2为自变量，分别以翅片管外表面积Ac和光管外表面积Ac0为应变量(Ac0=bAFc,AFc为翅片管的迎风面积，b为翅片管的外表面积Ac与迎风面积AFc的比值)。通过做出两个面积与冷空气出口温度的曲线交点对应的面积来作为估算面积，这样空冷器干式部分的温升也可以确定。

(3)风机选择　计算出风机全风压,选择风机形式。

(4)确定翅片管传热系数Kc　此时需要核实Kc是否与估算的传热系数接近。

（2）湿式部分的优化

湿式空冷器换热管采用光管。为保证结构上的一致,湿式部分的管束尺寸以及每排管数的取值和干式部分管束相同。对湿式光管空冷器进行热阻和传热系数的计算，包括管外传热和管内传热。

4. EDR软件在换热器设计上的运用

由于人工手算耗时费力，工程复杂，于是工程设计计算中需要用到一些功能强大的软件帮助计算，EDR（Exchanger Design and Rating）由于其强大的功能被用于各种工程计算中。尹涛^[27]就将Aspen EDR软件运用到管壳式换热器设计中振动分析中，通过对管壳式换热振动机理的分析，掌握判断振动发生的判据，是利用 Aspen EDR软件的振动分析功能的基础。另外，Aspen EDR软件可以选用 HTFS 自带的判据和TEMA方法，或者二者兼用，软件都会校核，提出振动分析报告供设计者研究取用。在临界状态的地方，软件报错会有一定的局限性，所以需要设计者对振动机理有一定的了解，并且可以自己判断和纠错，得出合适的调整方案，从而使设计满足要求。另外，盛月峰等人^[28]利用EDR软件对板翅式换热器的传热计算进行了模拟计算，得到了比较全面直观的信息。比如，换热器简图，芯体的布置情况，温度分布情况，整个换热器中每部分的压力降等。EDR软件还可以反映出流体在换热器各个部分的流速和某一截面上的温差等。

由于空气冷却器的用量越来越大，用途越来越广泛。于是本课题是用EDR软件设计一台60m^3/h的水-空气冷却器，并对其进行优化。

参考文献：

[1] 段春玲，管壳式换热器的强化传热[J]. 辽阳石油化工高等专科学校学报，2000，16(4): 30-36.

[2] 王文元，陈连. 管壳式换热器的优化设计[J]. 贵州化工，2005，30(1): 27-31.

[3] 常灵. 翅片管式换热器流动与传热特性的实验研究[D]. 辽宁，辽宁科技大学，2012.

[4] 康海军，李慧珍. 平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究[J]. 西安交通大学学报，1994，28(1): 92-98.

[5] 王震. 空气冷却器浅谈[J]. 科技视界（学术刊），2014，20:120-121.

[6] Ellison PR，Crewick FA，Fischer FK，Jackson WL. A computer model for air- cooled refrigerant condenser with specified refrigerant circuiting[J]. ASHRAE Transaction. 1981， 4: 1106-1124.

[7] Oskarsson SP，KrakowK I，Lin S. Evaporator models for operating with dry wet and frosted finned surfaces. Part I: Heat transfer and fluid flow theory[J]. American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Transaction 1990，96(1): 373-380.

[8] Domanski PA. Simulation of an Evaporator with Non uniform One Dimensional Air Distribution [J]. American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Transactions. 1991，97(1): 793-802.

[9] Domansiki PA and Payne WV. Properties and cycle performance of refrigerant blends operating near and above the refrigerant critical point，Task 2:Air condoner study， report for the air-condoning and refrigeration technology institute[R]，National Institute of Standards and Technology， Gaithersburg，MD，2002.

[10] Liang SY，Wong TT and Nathan GK. Study on refrigerant circuitry of condenser coils with an energy destruction analysis [J]. Applied Thermal Engineering，2000，20: 559-577.

[11] Liang SY，Wong T.T and Nathan GK. Numerical and Experimental studies of refrigerant circuitry of evaporator coils [J]. International Journal of Refrigeration，2001，24: 823-833.

[12] Wang CC. Optimum design of air-cooled fin-and-tube heat exchangers: accounting for the effect of complex circuiting[A]. S. Kakac et al Eds. Heat transfer enhancement of heat exchangers [C]. Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 1999.

[13] Wang CC，Jang JY，Lai CC and Chang YJ. Effect of circuit arrangement on the performance of air-cooled condensers [J]. International Journal of Refrigeration，1999，22: 272-282.

[14] 张绍志. 流程布置对非共沸制冷剂空冷冷凝器性能的影响[J]. 流体机械，2001，29 (1): 53-55.

[15] 郑艳娥，冯进，饶胜桥. 空气冷却器设计的程序计算与应用[J]. 江汉石油学院学报， 2003（S2）.

[16] 靳明聪等. 换热器[M]. 重庆:重庆大学出版社，1987. 23.

[17] 王鸾. 微肋管换热器强化换热技术的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[18] 毛新章，王建江，熊磊，于超，袁树礼. 湿式空冷器优化设计与计算机辅助计算[J]. 石油化工设备，2011, 40(4): 39-41.

[19] 催化裂化装置湿空冷器腐蚀结垢原因及对策[J]. 炼油技术与工程, 2005, 22(6): 34-37.

[20] 吴植仁，胡传青，富跃军. 推广空冷技术促进节能减排[J]. 炼油技术与工程，2007， 37(10): 25-26.

[21] 马连强，郑开学，金志康. 空冷器的应用与工艺系统设计[J]. 化工设计，2005，15(2): 32-34.

[22] 王立新. 湿式空冷器HTRI造型方法探讨[J]. 化工设计，2010，39(6): 44-46.

[23] 武士坤，王浚. 天然气回收装置空冷器的加湿改造[J]. 油气田地面工程，2004，23(3): 52-53.

[24] 王德胜，张嵘，张伟. 减压塔顶湿空冷器的腐蚀与防护[J]. 石油化工腐蚀与防护， 2007， 24(2): 36-40.

[25] 武耀祖，尚玉明，王社民. 表面蒸发式空冷器在轻烃回收装置中的应用[J]. 化工机械，2003，30(5): 279-281.

[26] 赵顺安，李武全，冯晶. 蒸发冷却器(闭式塔)的热力计算方法[J]. 工业用水与废水,，2009，40(3): 73-75.

[27] 尹涛. EDR软件在管壳式换热器设计中振动分析的运用[J]. 广州化工，2014，42（15）:195-198.

[28] 盛月峰，乔玉珍. 基于EDR的板翅式换热器的设计[J]. 新材料与新技术，2016，42（3）：51-52.

文 献 综 述

1. 课题背景

21 世纪，世界各国更加关注新能源的开发和节能途径的探索^[1]。热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备，被广泛应用于各个工业部门^[2]。 翅片管换热器作为一种重要的强化传热设备，其性能的提高达到节约能源降低生产的目的，所以对翅片管换热器的研究有很大的意义和经济前景。

2. 翅片管换热器

2.1翅片管换热器的结构原理概述

翅片管的构成主要包括基管和翅片两部分，管路一般为圆管，如图1^[3]，同时也存在椭圆管和扁平管等新型样式。翅片的型式也从结构相对简单的平直翅片逐渐发展成复杂结构型式的波纹片、百叶窗片、开缝片和齿形螺旋翅片等新型换高效翅片。作为目前应用最为普遍的平直翅片管式换热器，其具有构造简单、通用性强、刚度大以及耐用的特点，成为最常用的结构型式，许多学者已经通过试验和模拟两方面的研究，有效地提升了平直翅片管换热器的性能^[4]