一、课题背景

换热器是工业传热过程中必不可少的设备,广泛地应用于各工业部门[1].随着科技及工业的发展,要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化.翅片管换热器和板式换热器是人们研究得最多的两种高效换热器,翅片管是组成翅片管热交换器的核心元件,其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能[2]。

长期以来国内外学者对换热器传热性能进行了大量的理论和实验研究[3-5]，姬长发[6]通过对圆管矩形翅片的模拟研究，得到翅片后半部分的换热量占全部换热量的25%左右；李启良[7]也同样对椭圆管矩形矩形翅片管换热器进行了模拟研究。

随着制造水平和加工工艺的提高,发展了各种更高效的翅片[8].在空调行业中,镶片、轧片、套片及串片等翅片管式换热器逐渐成为行业的主力产品。

二、翅片管研究进展

从1971年Rich开展对平直翅片的研究以来,人们对翅片的结构及尺度参数进行了广泛研究,取得了大量成果。文中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。

1、平直翅片

Rich发现翅片间距对传热系数有显著影响,而管排数对空气压降几乎没有影响。Sparrow在研究此问题时指出,边界层的发展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[9]。Ricardo也对板间的流体行为进行了三维模拟[10],他借助可视化实验技术,揭示了翅片间距对传热和流阻的影响。该文的数值模拟结果表明了翅片间距对流动及传热行为的不同影响趋势,对于一定的约束条件,翅片间距存在强化传热的最佳值。

康海军对9种平直翅片管的传热与阻力进行了实验研究[11],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,阻力减小,且2排管的性能优于3排和4排管。何江海则进行双排管整体翅片数值模拟[12],得到了速度与压力场分布,气速在015～315m/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[13],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明,横向管距越小,纵向管距越大,场协同性越好。

2、波纹翅片