国内换热器的研究现状与展望_汪波

图 1 薄膜式全热换热器物理模型
苏铭[18]对不同通道构型的薄膜式全热换热器 的性能进行了数值计算分析和比较，所建物理模型 图 示 如 图 1 。 任 效明 [19]等 借 助 CFD 软 件 中 的 κ-εRNG 模型，计算了百叶窗翅片空气侧不同流速 下的换热和压降，理出换热和摩擦因子，与相关文
图 2 层叠式蒸发器结构
借助于计算机模拟运算的优势，90 年代初， 杨长威[1]利用 AUTOCAD2000 的二次开发工具 VISUAL LISP 对管翅式蒸发器进行了计算与绘图。 陈维汉[2]在应用给定换热器结构材料下，对换热器 进行优化设计。郑钢等[3]采用稳态分布参数法，对 冷凝器和蒸发器使用时回路的最佳长度进行了计 算机模拟。董玉军等[4-6]对已有的板式蒸发器内蒸 发换热关联式和摩擦压降关联式进行了总结，并采
第 2第4 卷24第卷5第期5 期 2010 年 10 月
汪 波，等：国制内冷换与热空器调的研究现状与展望 Refrigeration and Air Conditioning
Vol.24 No.5·61· Oct. 2010.61～65
文章编号：1671-6612（2010）05-061-05
国内换热器的研究现状与展望
汪 波 1 茅靳丰 1 耿世彬 1 韩 旭 1 魏 鹏 2
（1.解放军理工大学 南京 210007；2.西安陆军学院 西安 710108）
【摘 要】 叙述了影响换热器换热性能的几个因素以及评价换热器性能的标准，对国内换热器研究的发展及 研究进展进行了回顾，总结了研究过程中存在的不足，并对换热器的进一步研究作出展望。
2 存在的不足及发展前景
2.1 存在的不足 国内对于换热器肋片换热的研究起步比较晚、
经验比较少，多借鉴于国外，无论是理论研究还是 实验研究都还需进一步深入，技术创新还不够，但 是对各因素对换热器性能影响的研究也比较全面。 总的来说，仍然存在以下问题：
（1）换热器换热的理论研究不够完善，可供 对肋片实际应用优化设计的理论依据太少，对于换
在换热器的设计中，换热管排数和布置方式、 换热管形状、肋片外型以及间距等对换热器性能的 影响不可忽视。黄兴华[12]运用计算机模拟了不同管 型、不同流程布置对满液式蒸发器性能的影响。邓 敏锋[13]对多元平行流蒸发器建立数学仿真模型，对 影响蒸发器性能的各参数进行了研究。邓斌[14]采用 湿球温度效率法对蒸发器进行了模拟，并分析了流 程布置形式对换热器性能的影响。周俊杰[15]应用 SIMPLE 算法对开缝肋片表面的传热及流动阻力 特性进行了数值模拟；金巍巍[16]对在开缝翅片管翅 式换热器的 X 型开缝规律与转折 Re 点的变化进行 三维层流数值模拟。秦保军和朱春玲[17]对肋片管换 热器管外三维流动与传热情况进行了数值模拟。
献中的实验数据进行了比较分析。郝亮等[20]采用分 布参数法，对图 2 所示的层叠式蒸发器建模，分析 中间隔板深度以及流程设置对其传热和压降特性 的影响。靳世文等[21]应用数值模拟方法研究了风量 变化对管翅式蒸发器换热性能的影响；尹斌[22]对 R134a 单元机的蒸发器的仿真在使用改进的 Kattan 模型下，计算了管内不同干度区域的局部沸腾换热 系数，通过隐式三次多项式拟合模型计算制冷工质 的物性参数。吴金星[23,24]建立单周期三维模型对螺 旋肋片换热器内流场和温度场进行模拟，并分析了 影响换热性能的因素。黄东[25]对单流路双排管蒸发 器性能的数值模拟结果得出了风速分布形状对传 热性能影响的规律。刘彦军[26,27]用控制容积法对翅 片管管片式换热器的肋效率进行了数值计算，分析 了换热管间距、肋片厚度、导热系数等因素对肋效 率的影响。
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1.2 实验研究 为了能更深入反映换热器的实际运行性能，使
换热器的实验研究工作得以全面展开。曾文良[37] 对压缩空气在人字形波纹板式换热器传热与流阻 性能进行了实验研究。金晶[38]采用局部模拟试验法 在对针形翅管束进行纵向冲刷特性试验，得出了针 形翅管束的平均 Nu 数和阻力数的计算关联式。陈 育平在文献[39]中对不同结构尺寸针状肋片的实物 模型进行试验研究，得出了相应的传热及阻力特性 的实验准则关系式。
热公式推导出的解析解较少，目前大多是通过试验 数据分析拟和而成的经验公式；
（2）换热的理论体系缺乏系统性，不够完善； （3）因为试验环境，材料，仪器的精度以及 试验方法不同，在同一个研究方向的某些问题的研 究结论存在的分歧较多，很难形成统一的意见，暂 不能形成对实践的可靠指导； （4）目前对换热器的研究大多基于一维、二 维的换热，国内对于三维的换热模型的研究过少， 同时，对于一维和二维传热模型的前提假设条件很 苛刻，得出的结论适用性不强； （5）结合试验建立的部分换热理论还缺乏严 谨性和局限性。 2.2 换热器研究的发展前景 换热器肋片换热的研究应该注重基础性的理 论研究创新，寻求建立能支撑肋片设计选型的系统 化的理论，同时要结合实验研究，寻求实际应用中 最节能的肋片参数值。 换热器制造商和设计人员对于换热器肋片外 型、布置仍然没有可靠的理论依据，传统的肋片布 置方式在换热效率上不如换热管表面设置的针状 或圆台状肋，而对于针状肋片在换热管表面的最佳 换热的散布规律仍然还不明晰，理论研究非常薄 弱；对替代传统的平板和环状肋片的高效换热肋片 研究甚少。 新型换热管的形状研究过少，目前的研究仅局 限于传统的圆形或矩形换热管上，对更高效的换热 管型的探索研究比较缺乏。 对换热管排数和排列方式对换热器整体换热 性能的影响研究的理论体系还没形成，目前对于此 方面的研究多以实验研究为主，然后从实验中提取 经验公式，关于管排数的纯理论的换热理论还没有 得到建立。 作为衡量换热器性能时的换热效率，已不能作 为换热器设计选型的标准，换热效率高并不意味着 制造成本的节省以及换热效果最佳化；传热因子和 摩擦因子是比较合适的衡量换热器整体性能的指 标，但是需要综合考虑此两种因素后建立换热器最 优化换热的统一理论，单一的考虑换热因子或者摩 擦因子的大小对于衡量换热器换热性能没有任何 意义。
【关键词】 换热器；肋片效率；换热因子；摩擦因子 中图分类号 TU831.6 文献标识码 B
Present State and Perspectives of Research on Domestic Heat-exchanger Wang Bo1 Mao Jinfeng1 Geng Shibin1 Han Xu1 Wei Peng2
1.1.3 结霜现象对换热器性能影响的研究 宋伟宏[28]、陈楠[29]、赖建波[30]分别通过微元
划分建模和编制结霜工况下的动态仿真程序对蒸 发器进行模拟。王芬芬[31]针对平肋肋片管式换热器 的结霜过程建立了数学模型。张哲[32,33]通过计算机 模拟与实验结果比较对风冷热泵室外侧蒸发器结 霜特性影响进行分析。谷波[34]用 FLUENT 建立管 翅换热器结霜模型，对结霜的传热传质过程和霜层 的增长进行了模拟。罗超、吴金玉[35,36]建立了分布 参数仿真模型，对冰箱冷冻室蒸发器结霜进行了数 值模拟和试验。
仇性启等[40]研究了纵向翅片管换热器翅片侧 的传热特性和阻力特性。吴伟栋[41]和何春霞[42]分 别对新型三维外肋管叉排管束的换热及流动特性 和自然对流换热特性进行优化实验，得出了实验条 件下的换热及阻力变化的准则关联式。刘颖等[43] 利用显微摄影法对室外侧换热器的结霜过程进行 动态跟踪，测定了不同制热工况下平直翅片的表面 霜层厚度。 1.3 理论研究
基金项目：国防人防项目（批准号：20070208） 作者简介：汪波（1983-），男，博士，助理工程师，研究方向为地下工程热湿传递理论技术。 收稿日期：2010-09-24
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制冷与空调
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用分布参数法对波纹型多通道单流程板式蒸发器 在小换热温差时的换热性能进行模拟分析；在以压 降为约束条件下，董玉军[7]采用分布参数法对湿工 况下冷却空气型干式蒸发器盘管进行了数值模拟 以达到盘管换热性能最优化换热效果。席战利[8]用 分布参数法对管翅式蒸发器建立了数学模型，并对 公开文献已有的换热系数和摩擦压降的关联式进 行了总结。李永鹏等[9]和宣宇清[10]采取分布参数法 分别对船舶冷库蒸发器和房间空调蒸发器建立各 自的稳态数学模型，并使用 MATLAB 语言编程计 算。程金强等[11]建立管翅式换热器传热过程的物理 模型利用计算流体力学(CFD)软件进行模拟，随后 建立试验台对模型进行验证。 1.1.2 设计参数对换热器性能影响的模拟
0 引言
换热器的发展已经有近百年的历史，其在国民 经济的诸多领域（如食品、制药、石油化工、空调、 动力、冶金、轻工等）得到广泛的应用。进入 80 年代以来，由于制造技术、材料科学技术的不断进 步和传热理论研究的不断完善，有关换热器的节能 设计和应用越来越引起关注，特别是近年来，能源 与材料费用的不断增长极大地推动了对高效节能 换热器的研究，地下工程空间有限，高效率的换热 器能节约地下工程的使用空间和能源。目前，节能 减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措， 高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域 研究的热点。
1 换热器的国内研究现状
换热设备按照其功能可命名，如冷凝器、蒸发 器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为： 管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包
括板片式换热器和板翅式换热器）。对于各型换热 器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内 流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方 面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热 管（板）排列方式（顺排或叉排）、换热管（板） 排数、换热管（板）间距大小、肋片布置间距、肋 片形状等。通常的研究方法包括：数值模拟计算、 实验方法研究、理论研究三类。 1.1 数值模拟计算 1.1.1 计算机优化设计
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制冷与空调
20热器换热的研究在理论基础 方面还有待深入，在能源日趋紧张的今天，特别是 地下工程，可依据的换热器设计理论系统和标准对 于强化换热和节能意义重大。在完善换热理论体系 上，还需要做大量的理论和实验工作，这方面我们 仍然任重道远。