050椭圆翅片管和扁管翅片管研究现状

图 2 翅片效率原理图 2.2.2 椭圆翅片管翅片效率的计算方法 椭圆翅片管由基管椭圆管和外翅片组成。 常见的有椭圆矩形翅片管， 椭圆椭圆形翅片管， 椭圆圆形翅片管，螺旋椭圆扁管，椭圆 H 形翅片管等。由于比圆翅片管性能优越椭圆翅片管 [15] [15,16] 而正在受到重视 ，目前椭圆翅片管已经广泛应用于乙烯、炼油 等工业领域。
图 1 翅片管结构参数 管翅式换热器工作时，由于沿翅片存在温度的分布，因此存在翅片效率的问题。翅片效 率是翅片实际散热量与假设整个翅片表面处于翅基温度时散热量的比值。 图 2 为翅片效率原 理图，从图 2 中可以看到：翅片温度以背离基管方向沿翅片逐渐降低，同时与周围气体温度 的温差逐渐减小， 温差的减小使得换热量降低。 翅片效率直观的衡量了翅片增强传热的有效 程度。翅高、翅厚、翅片的形状、材质以及管外换热系数同时影响着翅片的效率。
de 4f U
式中 de 为当量直径，f 为截面面积，U 为湿周长，则：
de
[17]
2ab
a
2
b2 2
尾花英朗 以椭圆管矩形翅片替代了与其面积相等并与基管偏心率相同的椭圆翅片， 并 [18] 且进行了翅片效率的理论计算。 黄素逸等 根据计算圆管外圆翅片效率的公式， 求得管外不 同曲率半径方向处翅片效率， 然后用面积平均的方法对椭圆管矩形翅片进行了分析计算。 张 [19] 春雨等 采用了有限差分数值分析的方法， 应用温度逐次更新处理技术对不同扰流孔下的椭 圆管矩形翅片的翅片效率进行计算； 并与尾花英朗提出的采用当量椭圆简化矩形翅片的方法 [20] 做了对比，结果表明，采用当量椭圆简化矩形翅片使翅片效率偏高。闵敬春等 验证了扇形 [21] 法 可以用于椭圆管翅片效率的计算。 计算了在不同工况下长短轴比范围为 1~5 的椭圆管直 翅换热器的翅片效率， 并将计算结果与工程常用的等周长法和等面积法做了比较， 得出扇形 法与等周长法和等面积法差异的规律变化。 同时得到当椭圆翅片管叉排布置时， 等周长法远 小于等面积法的偏差；而当椭圆翅片管顺排布置时，等周长法与等面积法的偏差近似相等。 2.2.3 扁管翅片管翅片效率的计算方法 与椭圆翅片管结构相似， 扁管翅片管由基管扁管和外翅片组成。 目前研究比较多的形式 是纵向翅片扁管，其示意图如图 4 所示。
（4）扁管内部流体流阻比较高，制冷剂的充注量比较少，影响了换热效果。 2.2 椭圆翅片管和扁管翅片管翅片效率 与光管相比， 翅片管在消耗同样金属材料的情况下具有更大的换热表面积， 换热表面积 的增加强化了传热，同时也提高了传热系数，传热系数的提高使二次强化传热得以实现。其 特点就是即减少了金属材料的用量又减小了换热器的占地面积， 降低了整个系统的成本并使 整个系统更加紧凑高效的运行。 2.2.1 翅片管的结构参数及翅片效率 一般情况下， 描述翅片管的结构参数主要包括基管内径 d、 翅片管外径 df、 翅片厚度 a、 [14] 翅片间距 f、基管厚度 δ 及翅片高度 h 等，如图 1 所示
置方式使得第二排的管外空气阻力减小， 增加了换热量。 同时还给出有工程应用价值的管外 换热准则式（ Nu 0.408Re
[7]
0.37740.1104 ） 。王从飞等
用 CFD 数值模拟技术对三排管直接空冷凝汽器空气侧流动及换热性能进行了分析。 得到速 度和温度场的分布并作了分析。结果表明：迎面风速增加时，换热系数随着增加，换热能力 增强，同时流动阻力也相应增加；管排数增加时，流体与换热翅片的温差减小，后排管的换 [8] 热能力逐渐减弱。寇兴琢 开发了一种椭圆形基管 H 形翅片管烟气冷却器，应用于烟气冷却 器中。通过风洞模拟试验及分析表明：这种冷却器烟速低，阻力小，流线平滑，积灰少，磨 损轻，设备尺寸小、重量轻；实际运行验证了冷却器的可行性。 1.2 扁管翅片管研究现状 扁管翅片管换热器是一种新型换热器，由于其空气侧阻力小、管壁薄和用材少等优点， 近几年的研究应用越来越多。 [9] 王烨等 对涡产生器式叉排扁管板式翅片管换热器的板芯结构进行模拟研究。 分析了不 3 同管间距下换热板芯的传热与阻力特性。模拟结果表明：Nu/Nu0~fRe 和 j/f~Re 准则下各对 应着一个管间距使 得翅片换热 性能最优；强 化板 芯传热效果最好的 翅片纵向间 距是 [10] S=46.3mm。 樊菊芳等 用数值模拟的方法对扁管管片式散热器的相关物理量进行了模拟。 模 拟结果得出一个重要结论：修正的速度环量 与 Nu 有一定的对应关系。在 Re=1450 时，模 拟整个马蹄形涡的形成、 发展和衰减过程。 由于涡的产生在扁管管片式散热器中是不可避免 的，对流体流动和热交换的影响具有极其重大的意义，因此对涡的分析研究是很有必要的。 [11] 梁祥飞等 对一种扁平铜管百叶窗翅片管换热器(FTHX)进行了单体冷凝性能和整机制冷性 能试验，并在相同工况下与内螺纹铜圆管翅片管换热器进行对比。试验结果表明： FTHX 风 阻比较低，制冷剂流阻比较高；FTHX 整机制冷能力和能效比均略低于单排 φ9.52mm 铜管换 热器；FTHX 综合冷凝性能处于 φ7mm 和 φ9.52mm 铜管换热器之间。因此，扁平铜管翅片管 [12,13] 换热器更适合用于单冷机冷凝器。 陈俊华等 研究了纵向翅片扁管换热器对结构参数对换 热性能的影响。 得到了翅长、 翅高及翅间距对换热器热阻及空气侧对流换热系数的影响规律； 并对换热器的翅片结构参数进行了优化，为实际工程应用提供了参考。 2 椭圆翅片管和扁管翅片管的特性 2.1 椭圆翅片管和扁管翅片管的特点 综合上文对椭圆翅片管和扁管翅片管的综述，它们有以下特点： 椭圆翅片管的特点： （1）相对于圆管翅片管，椭圆翅片管更容易实现紧凑布置，使整个换热器整体体积减 小，从而减小了占地面积。 （2）由于椭圆翅片管形状特点，空气侧阻力小，流体间的换热系数增大；管内热阻比 较小，增加了管内流体的换热量。 （3）椭圆翅片管的换热面积大于同等截面积的圆管，这是因为同等的横截面积下，椭 圆管的传热周边比较长。 （4）椭圆翅片管中最常用的是矩形钢翅片，强度高，基管冬季不宜冻裂，使用寿命长。 （5）由于椭圆翅片管可以更紧凑的布置，前排管对后排的影响比较大，可以通过增大 后排管的翅片间距，减小管外流阻，但是管排数不宜过大。 扁管翅片管的特点： （1）扁管翅片管中，纵向翅片扁管的优点更为突出，流体流动和翅片为平行方向，空 气侧阻力小，不易积灰，容易清洗和维修，适用于比较恶劣的换热环境。 （2）扁管翅片管的换热面积大于同等截面积的圆管，节省材料，降低成本。 （3）相对于圆管，扁管壁比较薄，减小了热阻，增加了换热量。
[23]
h
S1 S2 a ； 2 a b 2
翅片效率

th mh mh
； m 2h

午秀芝等 用有限差分法对扁管连续翅片的翅片效率进行了数值分析。 将扁管连续翅片 的传热简化成二维稳态热传导问题， 讨论了翅片组合参数中翅片厚度和管间距变化时对翅片 效率的影响， 得出翅片的厚度和管间距都存在一个最佳数值。 同时还给出了扁管顺排和错排 [24] 时的翅片效率曲线， 对连续翅片扁管换热器的设计计算有一定的参考价值。 张永恒 在等效 矩形直翅法的基础上用简化计算法和有限差分法对圆管和扁管管片式换热器的翅片效率进 行了计算分析,并对两种计算方法做了比较，得出简化计算法比较适于圆管的计算。同时表
1- 椭圆基管 2-椭圆形翅片 图 3 椭圆翅片管示意图 在计算椭圆管翅式换热器翅片效率时人们常把椭圆翅片管当量成圆翅片管， 按照圆翅片 管计算分析。 当量圆管的选取方法有两种， 一种是使当量圆管的横截面积与椭圆管横截面积
相等，另一种是使当量圆管的周长与椭圆管的周长相等。 令椭圆翅片管横截面的长轴为 2a，短轴为 2b，则：
1- 纵向矩形翅片；2-扁管 图 4 纵向翅片扁管示意图 扁管翅片式换热器作为一种新型的换热器， 翅片效率的计算没有可以直接利用的公式和 图表。 实际工程中一般是根据简化公式或独立翅片管的翅片效率计算公式用等效法进行近似 [22] 计算的。 最常用的是等效矩形直翅法 ， 就是将扁管的翅片等效为与扁管等宽的直翅进行近 似计算，但这种方法有一定的偏差。近似计算的结果也各不相同，对换热器的换热计算有一 定的影响。 等效矩形直翅法的简化计算公式如下： 翅片高度
椭圆翅片管和扁管翅片管研究现状
河南工业职业技术学院 王晓霞 山东建筑大学 刘乃玲
摘 要：椭圆翅片管和扁管翅片管因其空气侧流阻小，换热效率高等优点，受到国内外学 者的青睐，目前在制冷、空调、化工、制造等行业有着广泛的应用。本文首先重点介绍了近 几年来国内外学者对椭圆翅片管和扁管翅片管在材料、结构、性能等方面研究的现状。然后 归纳总结了这两种翅片管各自的优缺点， 同时从翅片效率最基本的原理出发对这两种翅片管 的效率计算进行了分析。 最后提出了研究过程中存在的一些问题， 希望对后续的研究提供有 价值的参考。 关键词：椭圆翅片管；扁管翅片管；翅片效率；节能 0 引言 随着科学技术和工业的发展，换热设备趋于紧凑、轻巧、高效并小型化，但是一般换热 器不能满足上述要求， 这就促使人们去研究高效换热器。 因此管翅式换热器作为一种高效换 热器受到学者们的青睐。目前管翅式换热器在制冷、空调等工业领域已经有着广泛的应用， 核心元件是换热器内部的管束， 为提高传热性能在基管表面加翅片是强化传热的一个非常有 效的途径，并且与光管相比，翅片管有结构紧凑，选材灵活合理（基管和翅片的选材可以不 同） ，传热效率高等优点。 [1] 翅片管的种类很多 。根据翅片安装位置的不同，翅片管有内翅片管和外翅片管两种, 其中以外翅片管应用较为普遍。 根据翅片排列方式的不同， 翅片管有纵向翅片管和横向翅片 管两种。根据基管形状的不同，翅片管有圆翅片管、椭圆翅片管和扁管翅片管等。目前市场 上圆翅片管换热器占据着主导作用，但大量试验表明，相对于圆翅片管而言，椭圆管和扁管 的管后回流区和迎风面积要小得多，有效地减小了空气侧的流动阻力、降低能耗；当管束数 目相同时，椭圆管和扁管比圆管结构更紧凑，换热器的体积更小，降低成本。因此，椭圆管 和扁管管翅式换热器的研究开发日益受到学者的重视。 1 椭圆翅片管和扁管翅片管研究现状 1.1 椭圆翅片管研究现状 [2] 刘宝兴等 对十种椭圆矩形翅片管束的放热和阻力性能进行试验研究。 用线性回归分析 和 F 水平显著性检验方法对实验数据进行分析， 求得了椭圆矩形翅片管束的空气侧放热和阻 力性能的关联式。 确定了椭圆矩形翅片管束分别在最小容积和最小迎风面积标准下相应的最 佳横向管间距和纵向管间距。 分析实验数据得到管排数、 横纵向管间距和摩擦系数之间相互 [3] 影响的规律。杨金宝等 研究了不同椭圆长短轴之比（a/b）的椭圆管翅片间距对放热的影 响， 并对带四个扰流孔的矩形翅片椭圆管在横掠气体中进行了放热研究。 得出了可以作为工 [4] 程计算基础的简单公式。 屠珊等 用稳态恒壁温法对三个椭圆翅片管空冷器和一个圆形翅片 管空冷器的传热和阻力特性进行了试验研究。 通过对实验的研究分析得到了两种翅片管不同 工况下的 Nu 和 Re 关联式。 研究还表明： 迎风面流速相等时, 椭圆翅片管比圆形翅片管空气 侧换热系数约大 3~ 7 倍；换热系数相等时，椭圆翅片管比圆翅片管的压降低，并且椭圆翅 [5] 片管换热器需要较小的引风机能耗和换热面。 陈亚平等 对轧片式椭圆铝翅钢管换热器的传 热及流动阻力特性进行了测试。 阻力特性试验分别对 3 排和 4 排管试验件进行， 试验数据表 明：随着翅片管侧迎面风速的增加压力降逐渐增大，同时 4 排管试验件的压力降明显大于 3 排管的，因此管排数的增加减弱了翅片管的换热。试验结果表明：独特工艺制造的轧片式椭 圆铝翅钢管具有良好的传热、 阻力性能和足够的结构强度, 因此有广泛的应用前景。 段芮等 [6] 对翅片间距不相等的翅片管散热器在管束叉排布置时的传热和阻力性能进行了实验研究。 实验用钢管钢翅片椭圆管散热器， 换热器内为两排管， 用第二排的翅片间距大于第一排的布