鋸齒形和波紋形板翅式換熱器研究現(xiàn)狀

來(lái)振，郭朋彥，張瑞珠，楊?yuàn)W雷

鋸齒形和波紋形板翅式換熱器研究現(xiàn)狀

來(lái)振，郭朋彥，張瑞珠，楊?yuàn)W雷

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

文章簡(jiǎn)述了板翅式換熱器的組成結(jié)構(gòu)以及分類，并基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋸齒形和波紋形板翅式換熱器的研究，討論了兩種不同類型翅片的換熱器的特點(diǎn)，按照翅片類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)對(duì)研究工作進(jìn)行歸納。

板翅式換熱器；鋸齒形；波紋形；結(jié)構(gòu)參數(shù)；工作參數(shù)

前言

節(jié)能減排是社會(huì)發(fā)展的永恒主題。化石能源通過(guò)燃燒的方式轉(zhuǎn)化成熱能、動(dòng)能以及其他能量，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，有大量的熱能存在浪費(fèi)的情況，可以通過(guò)換熱器對(duì)多余熱量進(jìn)行回收工作，提高能源利用率，起到節(jié)能的作用。

板翅式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，而且傳熱性能好，在工業(yè)余熱回收領(lǐng)域受到了廣泛的歡迎[1]。如圖1所示，隔板、翅片以及封條構(gòu)成了板翅式換熱器結(jié)構(gòu)的基本單元。

翅片是板翅式換熱器的核心元件，有平直形、鋸齒形和波紋形翅片三種常用類型。然而，在一些對(duì)換熱性能要求比較高的環(huán)境下，鋸齒形和波紋形比平直形翅片具有更好的換熱性能，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋸齒形和波紋形翅片的研究比較豐富。

圖1 換熱單元

1 鋸齒形板翅式換熱器

鋸齒形翅片是指相互錯(cuò)開一定的間隔而形成的間斷式翅片，如圖2所示。這種特殊的結(jié)構(gòu)能周期性破壞翅片通道內(nèi)流體邊界層的，使速度、溫度邊界層一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)；因而具有高傳熱系數(shù)和高壓降，是一種高效能翅片。

在鋸齒形翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究上，董軍啟[2]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)研究翅片結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：隨著翅片間距和翅片高度的增加，翅片對(duì)流換熱系數(shù)和壓降均減小。趙帥帥[3]通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，結(jié)果表示：鋸齒形翅片具有較強(qiáng)的換熱能力，適用于高溫?zé)嵩吹纳?，但同時(shí)也伴隨著較大的阻力損失。文鍵[6]利用CFD軟件，對(duì)鋸齒形翅片進(jìn)行了性能分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明：翅片節(jié)距對(duì)換熱影響最大，翅厚對(duì)流動(dòng)阻力影響最大，而翅片間距和翅厚對(duì)應(yīng)力影響最大；優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的換熱效率增加了10.62%，最大應(yīng)力減少了7.9%。

圖2 鋸齒形翅片

在對(duì)工作參數(shù)的研究上，H. Bhowmik[5]對(duì)鋸齒形翅片換熱器研究結(jié)果表明：翅片傳熱因子和摩擦因子隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律基本一致；且發(fā)現(xiàn)普朗特?cái)?shù)的取值范圍會(huì)影響努塞爾數(shù)的計(jì)算結(jié)果。國(guó)內(nèi)方面，李廣甫[6]對(duì)鋸齒形翅片的空氣流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：換熱器效率隨其低壓側(cè)空氣流量的增大而增大，隨其高壓空氣流量的增大而減小。

2 波紋形板翅式換熱器

波紋翅片是在平直翅片上壓成一定的波紋形或者人字形，使得流體在彎曲流道中不斷改變流動(dòng)方向，如圖3所示。效果與鋸齒形板翅式換熱器類似，都是通過(guò)促進(jìn)流體的湍動(dòng)，分離或破壞熱邊界層來(lái)提高其換熱性能。

圖3 波紋形翅片

在對(duì)波紋形翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究上，Yue-Tzu Yang[7]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)波紋翅片進(jìn)行研究，并與其他文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出了波紋板的波紋角度和雷諾數(shù)對(duì)流動(dòng)特性與傳熱速率有明顯影響的結(jié)論。Azher M[8]對(duì)波紋翅片的梯形通道進(jìn)行分析，結(jié)果表明：梯形高度為2.5mm，縱距為6mm是最理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)。Naznil Singh[9]對(duì)波紋翅片的傾角的研究發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)在20°傾斜角下最高。秦赟[10]針對(duì)波紋傾角和高度的研究結(jié)果表明：當(dāng)波紋傾角和高度增大時(shí)，換熱性能提高但是壓降增大，在波紋角為45°、波紋高度為10mm時(shí)換熱性能最優(yōu)。

對(duì)波紋形翅片工作參數(shù)的研究主要集中在工質(zhì)的雷諾數(shù)上，王丹[11]發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)下，波紋翅片的波紋波幅對(duì)于流體流動(dòng)和傳熱性能的影響較大。王茜[12]的研究表明在雷諾數(shù)小于7860時(shí)，凹壁面的努塞爾數(shù)更大；雷諾數(shù)大于7860時(shí)，凸壁面努塞爾的更大。董軍啟[13]的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雷諾數(shù)在1000-5500的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)模式更適合預(yù)測(cè)波紋翅片的空氣流動(dòng)和傳熱。在相同的雷諾數(shù)下，波紋幅度對(duì)波紋翅片的傳熱和壓降有明顯的影響。郭瑞[14]等人利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同雷諾數(shù)下波紋翅片的性能。結(jié)果表明：各通道的性能隨雷諾數(shù)的增大均呈先下降后上升的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

板翅式換熱器作為一種高效的節(jié)能裝置，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)板翅式換熱器的兩種翅片類型——鋸齒形和波紋形進(jìn)行了相關(guān)探討，同時(shí)也討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)對(duì)兩種類型的板翅式換熱器性能的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)上，翅片的高度與翅片間距對(duì)鋸齒形翅片的影響比較大，而對(duì)波紋形來(lái)說(shuō)，波紋傾角對(duì)其性能影響最大。工作參數(shù)上，工質(zhì)的雷諾數(shù)是提高兩種翅片性能的關(guān)鍵。目前板翅式換熱器的研究方法與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境仍存在差別，主要原因在于數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)難以模擬出具體的使用情況，未來(lái)的研究也將會(huì)趨于實(shí)際化。

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[4] JianWen,Ke Li,Xing Zhang,Chunlong Wang,Simin Wang,Jiyuan Tu. Optimization investigation on configuration parameters of serrated fin in plate-fin heat exchanger based on fluid structure interaction analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2018, 119.

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[6] 李廣甫,郭憲民,張中芳.低溫空氣制冷系統(tǒng)中板翅換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo),2013,41(06):72-74.

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Research Status of Sawtooth and Corrugated Plate-fin Heat Exchangers

Lai Zhen, Guo Pengyan, Zhang Ruizhu, Yang Aolei

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power,Henan Zhengzhou 450045 )

This article briefly describes the structure and classification of plate-fin heat exchangers, and discusses the characteristics of two different types of fin heat exchangers based on the research of serrated and corrugated plate-fin heat exchangers by domestic and foreign scholars.To summarize the research work according to the fin type, structural parameters and working parameters.

Plate-fin heat exchanger; Sawtooth shape; Corrugated shape; Structural parameters; Working parameters

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1671-7988(2020)24-242-03

TK172

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1671-7988(2020)24-242-03

來(lái)振（1996-），男，碩士，就讀于華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，研究方向：余熱回收。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.080

CLC NO.: TK172