翅片管换热器空气侧换热及压降的性能分析作者：蒋治民谷波
来源：《建筑建材装饰》2015年第03期
摘要：对波纹翅片管及百叶窗翅片管两种换热器在析湿工况下空气侧的换热压降特性进行了试验研究，分析了不同温度进水工况条件对波纹翅片和百叶窗翅片管换热量、空气侧换热因子和摩擦因子的影响。
结果表明：随着入口水温的增加，两种翅片空气侧的换热因子都增加，两者相差比较小，变化趋势一致；随着入口水温的增加，两种翅片空气侧的摩擦因子都降低，变化趋势一致；当入口水温相同时，两种翅片空气侧的换热因子都随着管内流体雷诺数Re的降低而增加，而摩擦因子都随着管内流体雷诺数的降低而降低。
关键词：翅片管换热器；空气侧；换热系数；压降；进水温度
前言
翅片管式换热器被广泛应用于空调、制冷及化工领域。
当翅片管式换热器的表面温度低于流通空气的露点温度时，翅片表面会产生结露，产生冷凝水，此现象称之为析湿。
在析湿条件下翅片换热特征要比干工况复杂许多，空气状态变化既有热量的传递又牵涉到传质的变化，对于此类问题的研究大多是先从试验找现象，再去理论研究翅片表面的热质交换。
翅片管式换热器空气侧换热的研究对改进翅片的结构形式、推出更加紧凑、节能及节材型换热器，提高换热器的换热效率，有重要的研究意义。
目前国内外关于翅片管式换热器空气侧特性的研究主要有Wang et al 研究了波纹高度对波纹翅片管换热器空气侧特性的影响，总结了百叶窗式换热器的通用换热和压降关联式；李斌等得到了正弦波纹翅片管束在析湿条件下的换热和阻力特性，得出了空气侧的换热和阻力关联式；马小魁、张圆明、丁国良的研究着重于亲水层对换热器性能影响的研究；高晶丹等分析了翅片间距、进口空气相对湿度等因素对空气侧换热性能的影响。
换热器空气侧特性研究主要都是集中在空气特性变化对其的影响，而管内进水温度变化对翅片管换热器的影响没有过多的介绍及研究，并没有展开过详细系统的研究。
本文借助于水与空气系统试验中得到的相关数据，通过实验和数值模拟拟合相结合的方法分别对波纹翅片和百叶窗翅片管换热器在不同的进水温度下的换热、压降特性进行研究分析，得出了两种翅片不同的换热和压降关联式。
1换热器试验装置及误差分析
本文所使用的实验测试平台是标准的焓差实验室，包括实验装置、数据采集和试验对象三部分。
实验系统由空气处理系统和冷却水回路组成。
空气处理系统如图1所示，实验室房间内部空气，经加热、加湿后，达到测试目标状态后并维持和稳定在该状态点。
因为换热器入口前空气并没有通过其它通道，可以避免气流分布的
不均匀性，空气流经换热器进行试验，同时空气的温度和含湿量降低，流经换热器的气流由一台变频离心风机吸入排出，空气在进入换热前又进行加热、加湿，如此循环下去。
换热器入口空气的干球温度和相对温度的控制精度分别为 0.2℃和 2%，入口水温的控制精度为 0.5℃。
1.离心风机；
2.干湿球温度计；
3.空气采样器；
4.均流器；
5.微压差传感器；
6.翅片换热器；
7.喷嘴；
8.变频离心风机；
9.变频水泵
本次研究对象为波纹翅片管换热器和百叶窗翅片管换热器各一台，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝翅片。
翅片管换热器管内和管外的工作介质分别为水和空气。
测试工况为析湿工况，根据工业空调的实际运行情况，入口空气干球温度为35℃，入口空气相对湿度为38%，入口水温分别为7、10、12、15、18℃。
利用误差分析方法对实验台进行了误差分析，各参数误差范围均在±15.0%内，所测得的实验数据可以信赖，可以作为理论推导的依据。
2数据处理方法
本文最终的结果是得出空气侧换热因子j和摩擦因子f的计算结果，并找出相应的关联式。
基于实验的条件和计算的简化，对部分实验环节作如下假设：
（1）铜管厚度不影响热量传递，铜管具有良好导热性能，铜管四周热量是均匀传递；
（2）假设管内水流速处于均匀速度；
（3）换热器为多流路结构，假设各支路的水流量是相等的，忽略各流路间换热不均的影响；
（4）忽略翅片表面水膜的导热热阻数据处理中换热量的值采用空气侧和水侧换热量的平均值见式（1），和采用式（2）、式（3）所示：
其中C取常数0.97，喷嘴喉部截面积可直接得到。
喷嘴压降可通过喷嘴室压差传感器直接读取得到。
根据喷嘴室入口压力传感器测得的压力和温湿度传感器测得的温湿度，然后查阅空气物性表求得喷嘴入口空气密度。
2.1换热系数求解
式中为换热管导热系数，为换热管内径，为管内流体流动雷诺数，为管内流体普朗特数，为管侧摩擦因子，为管内流体的密度，为管内流体的流速，为管内流体动力粘度。
因为管壁热阻比重很小，对计算结果影响很小，所以在计算过程中忽略管壁的导热热阻和换热器管壁及外层翅片表面水膜的导热热阻后，总热阻与各个热阻的关系式如式（11）所示：
式中为基于管壁温度和管内水温度的空气焓温比值，为湿空气的比热容。
2.2换热因子和摩擦因子求解
表征空气侧换热特性的换热因子通过方程式（12）求得：
对于空气侧压降特性本文采用 Kays 和 London提出来的摩擦因子关系式来描述。
式中和分别为进出口空气密度，为空气平均密度，为空气侧压降，为换热器横断面收缩比，空气最小流通面积，换热器迎风面积。
3试验结果分析
3.1不同入口水温对换热因子的影响
图2和图3分别表示了不同入口水温对换热器换热因子的影响。
从图中可以看出，随着入口水温的增加，换热因子逐渐增大，但是百叶窗翅片换热因子值要大于波纹翅片换热因子值，原因有可能在于两换热器大小不一样，安装方式也不是完全相同，加之冷凝水短暂停留在百叶窗内，相当于瞬时加大了翅片外表面积，换热效率会增加。
当同一入口温度时，换热因子也并不相同，管内流体流速越大，换热因子就越小。
因为管内流体流速越大，出口水温就小，从而翅片表面温度也会变小，类似于入口水温增加的效应。
水膜的增厚增加了翅片表面的导热热阻，同时也增加了翅片根部和翅片顶部温差，导致翅片换热效率降低。
以上因素的共同影响使换热因子随着流体水温的降低而变小。
3.2不同入口水温对空气侧压降的影响
图4和图5分别描述了不同入口水温对翅片管换热器空气侧压降的影响。
摩擦因子随着入口水温变化而变化也与翅片表面的冷凝水膜有关，入口水温越低，冷凝水越多，水膜厚度越厚，增大了气流在流动过程中对水膜产生的切向阻力；同时冷凝水在不断下流过程中会聚积在翅片与翅片间的间隙空间，阻碍了空气的流动，从而增大了气流阻力。
因为翅片表面附有亲水层的缘故，从图可以看出，提高入口水温换热器空气侧压降降低，不过不同入口水温对换热器空气侧压降的影响很小。
本试验中因子和因子的变化趋势与张圆明等的研究结论有不一样的结论，本文采用的换热器翅片间距较大，迎风面较大，风量也较大，换热器高度较高，翅片之间的空气流道相对较宽，冷凝水膜必须借助气流流动的切向力才能影响空气的流动，而当翅片间距较小时，冷凝水借用自身重力的流动就会影响到空气的流动。
3.3不同入口水温对换热器换热和压降特性的预测模型
不同入口水温对换热器换热因子的影响主要与入口水温和管内水流速有关，管内流速的大小可以用来表示，作者运用多元线性回归方法，得出不同入口水温下两种不同翅片管换热器反眏空气侧换热特性的传热因子关联式，如式（15）、式（16）所示：
将两种换热器预测值与试验测试数据进行对比，新的关联式预测值与换热器试验测试数据偏差很近，最大偏差仅为12.3%，所有数据保证在 15%的误差范围内。
入口水温的升高会降低换热器的压降，并且温度越高压降变化越小，同时可以看到，当入口温度一样时，管内雷诺数越大表面空气压降也越大。
同样，作者运用多元线性回归方法，得出两种不同翅片管换热器不同入口水温下反眏空气压降特性的摩擦因子关联式，如式（17）、式（18）所示：
将两种换热器预测值与试验测试数据进行对比，新的关联式预测值与波纹翅片管换热
器实验测试数据偏差非常接近，最大偏差仅为0.36%，两组数据几乎重叠在一起，所有数据仅在 0.4%的误差范围内。
不同入口水温对换热器表面压降的影响很小，远不及风速，翅片类型，翅片间距及换热器排数对压降的影响。
4结语
（1）随着入口水温的增加，两种翅片空气侧的换热因子都增加，两者相差比较小，
变化趋势一致。
（2）随着入口水温的增加，两种翅片空气侧的摩擦因子都降低，变化趋势一致。
（3）当入口水温相同时，两种翅片空气侧的换热因子都随着管内流体雷诺数Re的降低而增加，而摩擦因子都随着管内流体雷诺数Re的降低而降低。
（4）通过两种翅片换热因子和摩擦因子实验值与预测值的对比可以发现：换热因子实验值与预测值存在一定的误差；而摩擦因子的实难值与模型预测值吻合比较好，但模型预测值都很好的分布在 15%的误差范围内。
（5）两种翅片管换热器都表明入口不同水温对换热因子的影响远比摩擦因子大得多。
参考文献：
[1]李女武，李惠珍，康海军，陶文铨，辛荣昌.析湿正弦波纹翅片管束的热质交换特性研究[J].西安交通大学学报， 1996（08）
[2]马小魁，丁国良，张圆明.析湿工况下亲水层对波纹翅片管换热器空气侧特性的影响分析[J].化工学报，2007（05）
[3]张圆明，丁国良，马小魁.干湿工况下波纹翅片管换热器空气侧特性的对比[J].机械工程学报，2008（09）
[4]高晶丹，丁国良，吴伟，胡海涛，高屹峰，宋吉.采用窗片的5mm管换热器在湿工况下换热性能的实验研究[J].制冷技术，2012（03）。
