翅片厚度對翅片管換熱器性能影響的分析

趙夫峰

（廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山 528311）

翅片厚度對翅片管換熱器性能影響的分析

趙夫峰*

（廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山 528311）

本文數(shù)值分析了翅片厚度對不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器性能的影響。仿真結(jié)果表明：翅片管式換熱器管徑、片寬、片距越大，翅片厚度對換熱性能影響越大；開縫翅片與平片相比，翅片厚度對換熱性能影響較大；翅片厚度對不同排數(shù)換熱器的換熱性能基本無影響；翅片厚度對小管徑和小管間距換熱器的性能影響較小。

翅片管換熱器；數(shù)值模擬；換熱性能；翅片厚度

0 引言

翅片管式換熱器是空調(diào)中最常用的換熱器結(jié)構(gòu)形式。換熱器是空調(diào)器性能提升的關(guān)鍵技術(shù)，行業(yè)內(nèi)對翅片管換熱器的片型、管形、流路等進行了大量研究。屈治國等[1]和金巍巍等[2]運用場協(xié)同理論，對翅片開縫位置依據(jù)“前疏后密”原則進行了優(yōu)化設計；楚攀等[3-12]中外研究人員對換熱器翅片渦發(fā)生器傳熱性能進行研究；黃翔超等[13]對5 mm強化管蒸發(fā)器中齒形參數(shù)進行研究及優(yōu)化設計；吳照國等[14]對5 mm換熱器的流路進行優(yōu)化設計；張凡等[15]對不同材料翅片管換熱器特性進行實驗研究；張智等[16]曾對兩排寬片與窄片組合換熱器進行數(shù)值和實驗研究，寬片與窄片組合換熱器與兩排寬片換熱器性能基本一致。文獻[17]對單排翅片管式換熱器不同片寬的數(shù)值和實驗研究表明，對于單排翅片換熱器，片寬對性能影響明顯。上述研究基于換熱器厚度不變情況下，對翅片不同開縫型式、流路、管形、翅片材料進行研究。

在空調(diào)行業(yè)內(nèi)，翅片管換熱器翅片有不同厚度（以0.095 mm、0.105 mm為主）。本文通過對不同翅片厚度對應各種規(guī)格換熱器進行數(shù)值模擬，分析翅片厚度對不同規(guī)格換熱器的影響，并針對不同規(guī)格換熱器給出推薦的翅片厚度，力爭換熱器性能和成本最優(yōu)，提升產(chǎn)品競爭力。

1 數(shù)學物理模型及驗證

1.1 物理模型

本文所研究的開縫翅片結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，翅片計算模型如圖2所示。模型考慮了管徑的翻邊厚度并納入管外換熱的計算。

圖1 翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 翅片管式換熱器計算模型示意圖

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 計算模型及控制方程

利用對稱性，建立翅片的基片位于計算模型的中間：假定空氣側(cè)流動為不可壓、穩(wěn)態(tài)和常物性對流換熱過程?？刂品匠贪巳S的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。假定銅管內(nèi)、外表面溫度保持不變，忽略翅片和銅管間的接觸熱阻。計算條件為：取銅管壁溫度318 K，外界氣流溫度308 K。壓力一速度耦合采用SIMPLE方法，翅片表面采用自身導熱和對流換熱的耦合方式，區(qū)域的邊界使用對稱性邊界條件和周期性邊界條件，其控制方程見文獻[18]。

1.2.2 邊界條件

計算中為了保證進口處的均勻流速，把計算區(qū)域向上游和下游分別延長相應的流動深度。進口邊界條件為流度、溫度均勻分布；出口為充分發(fā)展邊界條件。所有延長段的側(cè)面均為對稱性邊界條件。在換熱片區(qū)域，前、后（側(cè)面）流體區(qū)和翅片區(qū)域均為對稱性邊界條件，管壁區(qū)為無滑移恒壁溫邊界條件，上、下流體區(qū)域為周期性邊界條件。

1.2.3 網(wǎng)格獨立性驗證

采用四面體網(wǎng)格分別對流體和固體部分進行劃分。為了提高解的精度和可靠性，首先進行網(wǎng)格獨立性測算，采用不同的網(wǎng)格密度重復同樣的計算，比較所得的結(jié)果，對驗證計算結(jié)果的可靠性具有非常重要的意義。以模型（由兩排外徑7 mm銅管構(gòu)成）為例，分別采用網(wǎng)格數(shù)量為48萬、60萬、71萬、82萬和95萬時，以48萬網(wǎng)格為基準，壓降和換熱量相對于基準網(wǎng)格的變化率如圖3所示，當網(wǎng)格大于71萬時，壓降和換熱量的變化率非常小，考慮到仿真計算時間，因此采用大于71萬網(wǎng)格完全能夠滿足現(xiàn)有計算的精度要求，且在實際仿真中采用的網(wǎng)格數(shù)均大于71萬。

圖3 網(wǎng)格獨立性驗證

1.2.4 模型驗證

以兩排外徑9.52 mm銅管換熱器進行模擬和換熱器單體驗證，詳細換熱器參數(shù)及單體測試條件見表1，理論計算結(jié)果與換熱器單體測試結(jié)果見圖4，圖中9.52-1.4-0.105和9.52-1.5-0.105表示管徑9.52 mm、片距1.4 mm和1.5 mm、翅片厚度0.105 mm。換熱器單體測試中，空氣側(cè)換熱能力均達到管內(nèi)側(cè)97%以上。

從理論計算結(jié)果和換熱器單體測試結(jié)果來看，1.4 mm和1.5 mm片距理論計算值分別高單體測試值0.2%和0.66%，均小于1%；1.4 mm片距單體測試能力值較1.5 mm片距高4.62%，1.4 mm片距理論計算值較1.5 mm片距高4.13%，二者各自的變化趨勢相差0.49%。因此，理論計算值與實驗測試值吻合較高，所建模型可以較好預測換熱器性能。

表1 換熱器參數(shù)及單體測試條件

圖4 換熱器換熱能力理論計算與實驗測試值對比

2 翅片厚度對兩排不同管徑換熱器性能影響的數(shù)值研究

2.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件，分別對傳統(tǒng)規(guī)格兩排外徑9.52 mm銅管、外徑7 mm銅管套寬片、外徑5 mm銅管進行仿真研究，詳細參數(shù)見表2。

表2 換熱器詳細參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

3種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm厚度翅片換熱量提升如圖5所示。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑9.52 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升2.14%、4.25%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑7 mm銅管套寬片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.99%、3.66%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排傳統(tǒng)外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.29%、2.47%。因此，管徑越大，翅片厚度對換熱性能影響越大。

圖5 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

3 翅片厚度對兩排不同片寬的換熱器性能影響的數(shù)值研究

3.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管套用不同的片寬進行仿真研究，詳細參數(shù)見表3。

3.2 計算結(jié)果分析

5種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖6所示。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬22 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.99%、3.66%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬20 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.79%、3.43%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬18 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095mm翅片厚度分別提升1.64%、3.02%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬13.4mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.49%、2.81%。因此，對于外徑兩排7 mm銅管換熱器，翅片寬度越寬，翅片厚度對換熱性能影響越大。

表3 換熱器詳細參數(shù)

圖6 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

4 翅片厚度對不同開縫形式換熱器性能影響的數(shù)值研究

4.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管開縫形式分別為百葉窗和平片進行仿真研究，詳細參數(shù)見表4。

區(qū)塊鏈身份認證階段使用了區(qū)塊鏈的加密方法和結(jié)構(gòu)特征。一個區(qū)塊中既存有自身的哈希值，也存有前一個區(qū)塊的哈希值的特征，保證了區(qū)塊的不可篡改。一旦某一個區(qū)塊中的數(shù)據(jù)被篡改或者某一個區(qū)塊被惡意替換，則會立刻被區(qū)塊網(wǎng)絡所獲知。因此，本階段借助區(qū)塊的特征對身份進行認證是安全的。

表4 換熱器詳細參數(shù)

4.2 計算結(jié)果分析

兩種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖7所示。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1、0.105 mm百葉窗翅片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.74%、3.33%；翅片厚度為0.1、0.105 mm平片翅片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.5%、2.79%。因此，對于兩排外徑7 mm銅管換熱器，開縫翅片的翅片厚度對換熱性能影響比平片較大。

圖7 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

5 翅片厚度對不同片距換熱器性能影響的數(shù)值研究

5.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管套寬片進行仿真研究，詳細參數(shù)見表5。

表5 換熱器詳細參數(shù)

5.2 計算結(jié)果分析

3種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖8所示。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.4 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.38%、2.57%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.3mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.27%、2.5%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.2 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.34%、2.38%。因此，對于外徑7 mm銅管翅片，片距越大，翅片厚度對換熱性能越大。

圖8 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

6 翅片厚度對不同排數(shù)換熱器性能影響的數(shù)值研究

6.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對常規(guī)外徑7 mm銅管換熱器兩排和三排進行仿真研究，詳細參數(shù)見表6。

表6 換熱器詳細參數(shù)

6.2 計算結(jié)果分析

兩種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖9所示。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑7 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.43%、2.75%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm三排外徑7 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.32%、2.5%。因此，翅片厚度對應不同換熱器排數(shù)的換熱性能基本均無影響。

圖9 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

7 翅片厚度對不同管徑和管間距換熱器性能影響的數(shù)值研究

7.1 計算條件

在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對常規(guī)兩排外徑5 mm銅管換熱器和小管間距換熱器進行仿真研究，詳細參數(shù)見表7。

表7 換熱器詳細參數(shù)

7.2 計算結(jié)果分析

兩種不同換熱器空氣側(cè)不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖10所示，圖中常規(guī)換熱器簡稱5-19.5-11.6-1.2，小管距換熱器簡稱5-14-12-1.2。

從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排常規(guī)外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.29%、2.47%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm新型外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升0.97%、1.76%。因此，對于小管徑小管間距換熱器，翅片厚度對換熱性能的影響小于常規(guī)小管徑換熱器。

圖10 不同翅片厚度下空氣側(cè)單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片性能的變化率

8 結(jié)論

本文通過對翅片式換熱器不同管徑、不同中心距、不同片寬、不同片距、開縫翅片、不同排數(shù)、小管徑和小管間距對應不同翅片厚度進行數(shù)值研究。數(shù)值研究相關(guān)結(jié)論如下：

1）換熱器管徑、片寬、片距越大，翅片厚度對換熱性能影響越大；

2）開縫翅片與平片相比，翅片厚度對換熱性能影響較大；翅片厚度對應不同排數(shù)的換熱性能基本無影響；

3）小管徑小管間距換熱器的翅片厚度對換熱性能影響較小。

對于室外機換熱器（主要規(guī)格是外徑9.52 mm銅管、外徑7 mm銅管套寬片），考慮到空調(diào)使用過程積灰對性能衰減影響，建議采用0.105 mm翅片厚度；對于小管徑小管間距換熱器，綜合考慮成本和換熱性能，建議采用0.095 mm翅片厚度。

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Analysis of Influence of Fin Thickness on Performance of Fin-and-tube Heat Exchanger

ZHAO Fufeng*
(GD Midea Refrigeration Equipment Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528311, China)

The investigations of the impact of fin thickness on the heat transfer performance of fin-and-tube heat exchangers with different structures are performed. The numerical simulation results show that, the heat transfer performance of fin-and-tube heat exchanger with larger tube diameter, fin width and fin pitch is more sensitive to fin thickness; the fin thickness of slit fin has larger impact on heat transfer performance than that of plain fin; the impacts of fin thickness on heat transfer performance of the heat exchanger with different row numbers are negligible; the impact of fin thickness on the performance of the heat exchanger with small longitudinal tube pitch and small diameter tube is very small.

Fin-and-tube heat exchanger; Numerical simulation; Heat transfer performance; Fin thickness

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.206

*趙夫峰（1980-），男，碩士，研究方向：空調(diào)制冷、強化換熱及新型換熱器研究。聯(lián)系地址：廣東省佛山市順德區(qū)北滘鎮(zhèn)美的制冷研究，郵編：528311。聯(lián)系電話：18988683457。E-mail：zhaoff@midea.com.cn。