空調(diào)用空氣換熱器翅片形式的選擇

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　1.前言

　　在空調(diào)工程中，空氣的加熱和冷卻處理過(guò)程中大量用到的翅片管換熱器采用盤(pán)管形式，

　　傳熱管束是用直徑較小的紫銅管穿上鋁翅片，排成2至8排制成管束。冷熱水在管內(nèi)為蛇形往復(fù)流動(dòng)，空氣在管外翅片間穿行，同時(shí)被加熱或冷卻。翅片采用整體式翅片形式，翅片片型有平板型、皺紋型（其中，波紋板應(yīng)用最多）及開(kāi)縫型（如條縫型、百葉窗型等）。

　　不同翅片形式的換熱器，其空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力特性均有所差異。大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在獲得好的熱交換特性的同時(shí)，不可避免地造成了摩阻的增加。在給定的熱交換器尺寸和風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線下，壓力損失的提高必然造成空氣流速的降低，并進(jìn)而使空氣與翅片壁面之間的傳熱溫差降低。其次，空調(diào)工程中所使用的大部分換熱器都是干、濕工況交替運(yùn)行的，而不同翅片換熱器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比，有很大差異。因此，如何正確選用翅片形式，對(duì)熱交換器實(shí)際工作特性的影響不容忽視，最好的是在換熱與阻力損失之間找到一種折衷的方案。

　　2.干工況下各種翅片換熱器的性能對(duì)比

　　2.1 換熱系數(shù)和壓降損失

　　Giovanni Lozza和Umberto Merlo［1］對(duì)翅距2mm，翅厚0.11mm，管間距25mm，排間距21.65mm的各種翅片進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)的迎面風(fēng)速為1m/s到3m/s.表征空氣側(cè)換熱強(qiáng)弱的Colburn j 因子和摩阻因子f 與Re數(shù)的關(guān)系。

　　表1 各種翅片形式

翅片代號(hào)　 翅片形式　 開(kāi)縫或皺紋寬度（mm）　 P
N
C
L1
L2
W
X1
X2
X3　 平板型
波紋板型
橫向皺紋板型
平板矩形百葉窗
平板矩形百葉窗
平板小翼型帶矩形百葉窗
波紋板弧形百葉窗
波紋板弧形百葉窗
波紋板弧形百葉窗　 0.80
0.54
0.75
1.60+0.70
1.00
0.75
0.65　

　　弧形百葉窗翅片的最優(yōu)，其次為矩形百葉窗型、皺紋板型、波紋板型。究其原因?yàn)椋庵背崞?，連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層妨礙了流體與翅片的換熱；波紋翅片破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層，所以換熱系數(shù)增大了；而開(kāi)縫式翅片，不僅破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層，而且大大增加了流道中的紊流度，從而使換熱系數(shù)進(jìn)一步增大。方形百葉窗和弧形百葉窗均是在翅片上開(kāi)翻邊槽，以此強(qiáng)化氣流擾動(dòng)，增強(qiáng)換熱。弧形百葉窗型翅片的開(kāi)槽是沿著銅管外壁進(jìn)行的，這樣的好處是氣流可以在百葉窗型翻邊的誘導(dǎo)下更大面積的沖刷到管后部，即減小銅管后部的尾流區(qū)域，強(qiáng)化換熱。

　　百葉窗型的翅片可極大地改善熱交換性能，特別是弧形百葉窗翅片可獲得非常高的換熱系數(shù)，幾乎是波紋片的兩倍。但引起的阻力損失也較大；影響大小與條縫高度有關(guān)。比如X1（開(kāi)縫寬度為1mm）型翅片換熱器，其換熱特性與其他高度的相比并無(wú)明顯提高，但阻力特性增長(zhǎng)卻比較明顯，因此，百葉窗條縫高度應(yīng)嚴(yán)格控制。

　　表2 各種翅片在迎面風(fēng)速Vy＝2.5m/s時(shí)的性能參數(shù)對(duì)比

　 N　 C　 L1　 L2　 W　 X1　 X2　 X3　 j／j_平板　 1.14　 1.27　 1.54　 1.80　 1.83　 2.36　 2.14　 2.28　 f／f_平板　 1.18　 1.24　 1.45　 1.90　 2.29　 2.70　 2.13　 2.11　

　　2.2 影響換熱器性能的幾何因素

　　2.2.1 翅片間距

　　關(guān)于翅片間距對(duì)換熱性能的影響，Rich研究了管徑為13.34mm，管間距為27.5mm，

　　排間距為31.75mm情況下的14種平板翅片盤(pán)管的情況。試驗(yàn)結(jié)果得到：4排管時(shí)，換熱性能與翅片間距無(wú)關(guān)；每排管的壓力降也與管排數(shù)無(wú)關(guān)。然而對(duì)1排或2排管，規(guī)律有所不同。ReDc＞5000時(shí)，渦流的影響占據(jù)了重要位置，翅片間距的影響可忽略。當(dāng)ReDc＜5000時(shí)，熱交換性能隨翅片間距的減小而增大。Wang等人的試驗(yàn)也證實(shí)了此觀點(diǎn)，同時(shí)還證實(shí)了對(duì)多排百葉翅片和波紋翅片換熱器具有相同規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：較高的空氣流速和較大的管排數(shù)都會(huì)導(dǎo)致渦流區(qū)域的產(chǎn)生，因此，翅片間距對(duì)換熱系數(shù)的影響均可忽略。

　　2.2.2 管排數(shù)

　　對(duì)于平板型翅片：在管排數(shù)較大、翅片間距較小，且雷諾數(shù)較低時(shí)，管排數(shù)對(duì)換熱特性的影響才顯著起來(lái)。當(dāng)ReDc<3000時(shí)，由于邊界層的影響，換熱因子將隨管排數(shù)的增加而減小；管排數(shù)對(duì)摩擦阻力因子的影響相對(duì)較小。然而當(dāng)ReDc>3000時(shí)，管排數(shù)對(duì)換熱的影響將減小。

　　對(duì)于波紋形翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對(duì)換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)沒(méi)有明顯的影響；而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會(huì)隨著管排數(shù)的增加而增加。

　　對(duì)于開(kāi)縫型翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對(duì)換熱系數(shù)有顯著的影響，換熱因子會(huì)隨著管排數(shù)的增加而急劇降低；管排數(shù)對(duì)摩擦因子的影響相對(duì)較小。

　　2.2.3 管徑

　　對(duì)于平板型翅片，管徑越大的，造成管后的無(wú)效面積也越大。換熱系數(shù)隨著換熱管管徑的減小而稍有增大。比如，對(duì)于單排管和雙排管，Dc=8.51mm時(shí)的換熱系數(shù)比Dc=10.23mm的稍高；但Dc=10.23mm的壓降卻比Dc=8.51mm的要大10%-15%.

　　對(duì)于其它的翅片類(lèi)型（波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片），采用小管徑，同樣可以減小管排的拖曳作用，從而增大管外換熱系數(shù)；并能夠減小壓降損失。如：對(duì)百葉窗翅片，當(dāng)迎面風(fēng)速Vfr<1.5m／s時(shí)，采用小管徑的多排管結(jié)構(gòu)有利于提高換熱器的換熱性能，并能夠減小10%的壓降損失。

　　3.濕工況下翅片換熱器的性能變化對(duì)濕工況下空氣側(cè)傳熱系數(shù)的報(bào)道一直存在爭(zhēng)議。

　　例如，McQuiston（1978a）指出濕工況下空氣側(cè)換熱系數(shù)較干工況下略低，而Eckels和Rabas（1987）卻得到相反的結(jié)論。

　　K.Hong和R.L.Webb［6］指出，在2.5m/s的迎面風(fēng)速下， 濕工況和干工況下的壓降比，百葉翅片的為2.4，而波紋翅片的僅為1.42.另?yè)?jù)報(bào)道，根據(jù)翅片形式和濕負(fù)荷的不同，濕工況下的壓降為干工況下的1.5～2.0倍。然而，對(duì)不同的翅片形式，濕工況下的熱交換系數(shù)比干工況下低10～30％。總之，盤(pán)管表面的凝結(jié)液膜的產(chǎn)生將嚴(yán)重影響空氣的換熱特性和摩擦特性。

　　2000年，Wang以?xún)煞N百葉窗形翅片在濕工況下的換熱性能為研究對(duì)象進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在濕工況的條件下，換熱特性對(duì)翅片間距和管排數(shù)的變化不太敏感，結(jié)果與干工況下的特性十分接近。然而與換熱特性不同的是，翅片間距的變化對(duì)摩擦特性有顯著的影響，對(duì)于翅距=1.2mm的換熱器比翅距=2.5mm的換熱器摩擦因子大30%～50%；另外，管排間距越大，越有利于凝結(jié)水的排放，從而使換熱器的壓降損失降低。

　　4.換熱器翅片表面性能的改進(jìn)鋁翅片換熱器在使用中存在如下問(wèn)題：

　　首先，鋁翅片工作在干濕交替的環(huán)境中，其表面會(huì)形成Al₂O₃.H₂O氧化層粉末，帶來(lái)機(jī)器壽命減少和環(huán)境污染兩方面的問(wèn)題；此外，濕工況作業(yè)時(shí)，空氣中的水分冷凝，附著在翅片上形成“水橋”，導(dǎo)致風(fēng)阻增加，能耗加大。表面涂膜處理是解決問(wèn)題的有效方法，空調(diào)熱交換器表面涂膜處理技術(shù)是九十年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，主要進(jìn)行耐蝕性涂膜處理和親水性涂膜處理。

　　進(jìn)行翅片表面涂膜處理后，空氣側(cè)的阻力特性會(huì)得到極大改觀。Mimaki（1987）對(duì)帶親水涂層的換熱器進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)，采用親水涂層翅片后，濕工況下的壓降降低到原來(lái)的40～50％；且空氣側(cè)的熱傳遞系數(shù)增加了2～3個(gè)百分點(diǎn)。K.Hong和R.L.Webb［6］發(fā)現(xiàn)，對(duì)波紋片、開(kāi)縫片和百葉片三種翅片形式，在2.5m/s迎面風(fēng)速時(shí)，帶親水涂覆層時(shí)的濕工況和干工況下的壓降比均為1.2.即對(duì)濕盤(pán)管，在百葉翅片和波紋翅片上采用親水涂覆層，當(dāng)迎面風(fēng)速為2.5m/s時(shí)，可使?jié)窆r下壓降損失分別降低45％和15％。因此，涂覆層對(duì)百葉翅片的影響要比對(duì)波紋翅片的影響大。

　　5.結(jié)論

　　熱交換系數(shù)大的翅片能夠在相同容積和造價(jià)下提高熱交換器的熱交換能力，但是阻力的增加在固定的風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線下會(huì)降低空氣的流量?？諝饬髁康慕档陀袃煞矫娴牡牟焕蛩兀旱谝唤档偷目諝饬魉贂?huì)降低熱交換系數(shù)；第二在表冷器中空氣溫度的提高，使相同起始溫差下的LMTD降低。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解所選換熱器的翅片形式，并根據(jù)使用場(chǎng)合不同區(qū)別對(duì)待。

　?。?）在干工況下，盡量采用換熱系數(shù)大的翅片形式，如開(kāi)縫翅片，其中弧形百葉窗翅片形式換熱特性更為突出；但由于開(kāi)縫翅片的阻力較大，因此，在需要相同換熱量時(shí)，盡量選用迎風(fēng)面積較大的，而不是排數(shù)較大的，以充分利用增強(qiáng)型翅片的優(yōu)點(diǎn)，而不增加它的風(fēng)機(jī)功率；

　　（2）在濕工況下，開(kāi)縫翅片的阻力增加較多，系統(tǒng)風(fēng)量會(huì)減少，此時(shí)，可考慮采用波紋形翅片換熱器，且翅片間距不宜太??；

　?。?）當(dāng)翅片換熱器需要在干、濕工況下交替運(yùn)行時(shí)，可在翅片表面添加親水性鍍膜，它對(duì)換熱性能影響極小，但可極大地降低濕工況下空氣流動(dòng)阻力，對(duì)百葉翅片的效果更佳。在此情況下，可盡量采用百葉型翅片。

　?。?）盡量選用小管徑的翅片換熱器，其換熱特性和阻力特性較大管徑的均有所改善。

　　（5）新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤(pán)管換熱器采用不同的翅片形式，如可用新風(fēng)負(fù)擔(dān)室內(nèi)全部濕負(fù)荷，換熱器采用波紋片的；而風(fēng)機(jī)盤(pán)管采用開(kāi)縫翅片，完全在干工況下工作。