锯齿与打孔翅片表面性能对传热的影响

于艳君

0.综述

板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于翅片的表面特性，因此翅片的表面特性数据是准确设计板翅式换热器的基础。美国斯坦福大学的Kays和London曾对紧凑式换热器表面进行了较系统的实验研究，提供了40多种翅片形状的板翅式翅片的传热和阻力曲线图。

本文以两种常见的翅片表面（锯齿翅片、打孔翅片）为研究对象，换热工质为7.8bar，150～151K的CH4气体，采用FLUENT软件模拟和分析不同结构参数和Re数对翅片表面传热与流动阻力的影响。得出不同结构参数和操作参数下两种翅片的表面性能曲线，分别分析了锯齿翅片的翅片高度、翅片间距、翅片厚度和切开长度以及打孔翅片开孔率对翅片表面流动与传热性能影响，并分析比较两种翅片性能。

1.锯齿翅片表面性能分析

（1）通过对于不同翅高h的锯齿翅片表面性能的变化规律：随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均递减；在相同的雷诺数下，随着翅片高度增加传热因子增加，但同时摩擦因子（压降）也增加。

（2）通过对于不同翅距S的锯齿翅片表面性能的变化规律：随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均递减；在相同的雷诺数下，S=1.7mm的翅片传热性能最好；S=2.0mm的翅片次之；在相同的雷诺数下，随着翅片间距增加，摩擦因子减小。

（3）通过对于不同翅厚δ的锯齿翅片表面性能的变化规律：随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均递减；在相同的雷诺数下，随翅厚增加传热因子增加，但增加不明显；在相同的雷诺数下，随翅厚变化压力降变化较显著，翅厚增加，压力降明显增大。

（4）通过对于不同切开长度的锯齿翅片表面性能的变化规律：随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均递减；在相同的雷诺数下，切开长度减小传热性能增大； 但随切开长度减小压力降也明显增大。

2.打孔翅片表面性能分析

通过对于不同开孔率的打孔翅片表面性能的变化规律：随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均递减；在相同的雷诺数下，不同开孔率的传热性能和摩擦因子相差不多，这两种开孔率对传热和压降特性影响不大。

3.数值计算结果验证与误差分析

3.1数值计算结果验证

1965年我国由日本神钢“ALEX”引进平直形、锯齿形、多孔形翅片性能数据，由于国产标准翅片与日本神钢“ALEX”的大致规格相同，国内有关工厂、设计院多沿用该曲线数据。该曲线只区别翅片形式，不区别每种翅片形式的尺寸。使用结果表明：在常用雷诺数Re=500～10000范围内，约有15%的裕量。

3.1.1锯齿翅片数值模拟结果与上述拟合曲线的比较

锯齿翅片传热因子数值模拟结果与拟合曲线比较中可以看出：传热性能随雷诺数的变化趋势相同：在一定Re数范围内，随Re数的增大传热因子递减，说明将数值模拟应用于翅片表面特性研究是可行的。传热因子数值模拟结果与拟合曲线平均偏差为21%，最大偏差为48%。

锯齿翅片摩擦因子数值模拟结果与拟合曲线比较中可以看出：流动阻力性能随雷诺数的变化趋势相同：在一定Re数范围内，随Re数的增大摩擦因子递减。摩擦因子数值模拟结果与拟合曲线平均偏差为16%，最大偏差为51%。

3.1.2打孔翅片数值模拟结果与上述拟合曲线的比较

打孔翅片传热因子数值模拟结果与拟合曲线比较中可以看出：传热性能随雷诺数的变化趋势相同：在一定Re数范围内，随Re数的增大传热因子递减。传热因子数值模拟结果与拟合曲线平均偏差为13%，最大偏差为31%。

打孔翅片摩擦因子数值模拟结果与拟合曲线比较中可以看出：流动阻力性能随雷诺数的变化趋势相同：在一定Re数范围内，随Re数的增大摩擦因子递减。摩擦因子数值模拟结果与拟合曲线平均偏差为12%，最大偏差为27%。

3.2数值计算结果误差分析

锯齿与打孔翅片传热因子、摩擦因子的数值模拟结果与拟合曲线之间存在一定偏差，其主要原因可以归结为如下几个方面：

（1）数值计算模型没有考虑翅片、隔板的粗糙度，使传热因子、摩擦因子数值计算值偏小。

（2）翅片与隔板是钎接在一起的，钎接工艺产生的换热器芯体结构与数值计算的简化模型有一定差异，会使数值计算结果产生一定偏差。

4.结论

利用计算流体动力学方法研究了板翅式换热器常见的两种翅片表面流动与传热性能。对比研究了不同结构参数及Re数对翅片表面性能的影响。

（1）结果表明，两种翅片的传热性能与阻力损失随雷诺数的变化趋势相同：在一定Re数范围内，随Re数的增大传热因子和摩擦因子递减。这与拟合曲线得出的结论一致，说明将数值模拟应用于翅片表面特性研究是可行的。

（2）分析了锯齿翅片的高度、翅片间距、翅片厚度以及翅片切开长度对锯齿翅片传热性能的影响；打孔翅片开孔率对打孔翅片传热性能影响。结果表明：锯齿翅片的高度越大传热性能越好；锯齿翅片的间距对其传热性能有直接影响；锯齿翅片的厚度越大传热性能越好；锯齿翅片的切开长度越短传热性能越好；本文研究的两种打孔翅片的开孔率对翅片传热性能影响不大。

（3）分析了锯齿翅片的高度、翅片间距、翅片厚度以及翅片切开长度对锯齿翅片流动阻力性能的影响；打孔翅片开孔率对打孔翅片流动阻力性能影响。结果表明：锯齿翅片的高度越大摩擦因子越大；锯齿翅片的间距越大摩擦因子越小；锯齿翅片的厚度越大压降越大；锯齿翅片的切开长度越短压降越大；本文研究的两种打孔翅片的开孔率对翅片流动阻力性能影响不大。

（4）相同Re数下两种翅片的传热性能的比较发现：锯齿翅片的传热性能优于打孔翅片，说明改善换热器换热表面的几何形状对板翅式换热器的传热性能影响至关重要。

【参考文献】

[1]E.U.施林德尔.换热器设计手册.机械工业出版社，1998：10-24.

[2]程菲，苏保玲.翅片管的传热分析及其表面几何参数的优化.建筑热能通风空调，2003，（4）：44-48.

[3]钱颂文.换热器设计手册.化学工业出版社，2002，（8）.

[4]王松汉.板翅式换热器.化学工业出版社，1984：40-60.

[5]张祉佑，石秉三.低温技术原理与装置.机械工业出版社，1987：80-81.