翅片管式换热器近几年研究结果

翅片管长期工作于高温高压工况下，要求翅片管材料具有抗氧化、抗腐蚀等特点。 管翅常用 材料有铝、铝合金、铜、黄铜、镍和不锈钢等。

对换热器材料研究，近几年研究结论主要如下：

（1） 铝制翅片具有一定可靠性，如 空调铝制扁管换热器与铜铝复合管换热器。

（2） 铝材料换热器在暖通空调 应用问题较大，主要是铝金属易腐蚀泄露，且腐蚀产物容易产生污垢热阻，会降低换热器的效率，因此铝金属在代替铜金属材料的过程中存在较大的技术难题。

（3） 铜材料换热性能最好，造价最贵；铝材料换热性能次之，造价低， 但是不具有抗腐蚀性；不锈钢材料换热性能最差，造价居中，也具有抗腐蚀性。

（4） 王清富等人采用模拟实验法，对４台不同材料的翅片管进行了试验研究，发现当翅片为铜材料时，铁白铜管换热器空气侧换热系数高于不锈钢管换热器空气侧换热系数；换热管 材为铁白铜时，铜翅片比铝翅片换热器空气侧换热系数高，换热管和翅片的材料不影响管外 空气侧的压降。

上述文献中翅片管材料不仅有铜材料和铝材料，还对不锈钢材料进行了研究，如表１所示。

现阶段情况：

很多企业为了避免制冷剂泄露情况发生，依然使用铜质换热器。

新的趋势是：

可采用铜材料作为管材，铝材料作为翅片，也可采用不锈钢管，但增加外套翅片来增加换热。

翅片管的加工工艺主要分为机械连接式和焊接式两种，如图２所示。

机械连接式指的是将翅以套片、镶嵌或缠绕等机械方式紧固于基管表面；焊接式指的是将预 先设计好的翅片以焊接的方法与基管结合，主要有钎焊式螺旋翅片管、高频焊螺旋翅片管两种。

对管翅加工工艺的研究，近几年研究结论主要如下：

（ 1 ） 李仪龙将整体型翅片和微槽道热管技术相结合，研究并开发出一种新型的微槽道热管式整体型翅片管，通过试验研究发现当轧辊刀具压下量为３．００ｍｍ、斜轧角度为２．５ ° 、轧辊辊型为Ｖ辊型时能保证翅片顶端不开裂，得到较好的工艺参数。

（ 2 ） 李渊通过建立数学模型，对翅片管切削－挤压成形过程进行了仿真模拟，结果展示刀具主偏角越小、进给量越小、切削深度越大，肋化系数越大。

（ 3 ） 陈汉平对三维翅片管进行轧切－挤压加工实验，研究显示在冷凝工况下适中的节距、较小的阶梯翅片高度差和翅片宽度会有较好的传热性能，在沸腾工况下，较大的节距和阶梯翅片高度差以及适中的翅片宽度会获得优良的传热性能，最终得到的最佳参数为翅片管的节距为０．６６ｍｍ，阶梯翅片高度差为０．１５ｍｍ，翅片宽度为０．３０ｍｍ，能同时达到优 异的强化沸腾和冷凝传热性能。

（ 4 ） 李思思通过对机械胀接方法连接的套片式翅片管换热器进行有限元分析，得以获得翅片与基管之间的接触热阻数值。

小结：

翅片管为了牢固多采用焊接方式连接， 但通过焊接方式连接的翅片管不可拆卸，没有机械 连接方式灵活多变；而机械连接方式在连接处易产成接触热阻，从而影响换热器换热性能。

翅片管的结构包括翅片管的管排数、翅片类型、翅片间距等，下面将从这三方面阐述 其对换热器的换热影响。

３．１ 管排数

翅片管换热器的管排数不能过多也不能过少，过多会导致换热面积过小，影响换热器换热性能；而过少会导致热阻增大，降低换热量。

近年来关于管排数的研究成果如下：

（ 1 ） 康海军等人采用直接加热法对铝合金翅片的３种不同翅片间距和３种不同的管排数分别组合的情况对平直翅片换热和阻力的影响进行了研究，发现当其他条件相同，Ｒｅ＝ ５６０～４．５ × １０４ 范围内时，二排管的换热性能高于三排管与四排管的换热性能，三排管的换热性能与四排管相差不明显。

（ 2 ） 何江海等人采用数值方法，以二排管为例，研究了平直翅片管式换热器上方空气的空气流速、温度及压力分布。得出两排管之间的温度和压力的变化趋势是一样的，同时得出随着空气进口速度的增加，空气侧换热系数和空气侧压降也呈上升趋势。

（ 3 ） 刘金平等人利用仿真算法的思路，将换热器看作一个整体进行迭代计算，发现想要通过增加管排数提高换热量是一种不经济的方式。此后又对管排数为２和４时换热器的换热能力进行了研究，结果显示：  

管排数对换热器换热量的影响比较显著，当排管数在２～４之间时，换热器的换热能力随着管排数的增加而减小。努塞尔数和摩擦因数随着管排数的增加而减小。

（ 4 ） 张哲等通过仿真模拟的方法，发现对于换热器结霜速度来说，二排管最慢，三排管稍快，最快为四排管。对于换热器来说，二排管的换热器结霜速度最慢，这有利于延长热泵的除霜周期。

（ 5 ） ＦｅｔｈｉＨａｌｉｃｉ针对由铝翅片和铜管组成的平板翅片管换热器，管排数为１～４，在雷诺数在３００～２０００之间的潮湿和干燥表面件下，摩擦系数随着管排数的增加而降低。湿表面的空气侧传热系数约比干燥表面高２０％湿表面和干表面的空气侧传热系数 随着管排数的增加而降低。

（5） ＰｕｎｎｏｓＡｂｒａｈａｍ等人制造了除排数同、其他结构都相同的两个螺旋翅片 管换热器，一个为四排，一个为五排。结果发现五排换热器比四排换热器的努塞尔数更高，并且它之间的差异随着雷诺数的增加而增加。

关于管排数对换热性能影响的总结：

当翅片管为二排时翅片管换热器的换热性能最优，随着管排数的增加，传热系数和传热温差均减小，但总的热量呈现先增大后减小的现象，平均每排管的换热量也呈现先增大后减的情况。所以，通过增加管排数高换热量是不经济的方式。

３．２ 翅片类型

翅片类型对换热器换热量也有影响。 常见的翅片类型有平直翅片、百叶窗翅片、 波纹翅片、多孔翅片和锯齿翅片，如图３所示。

近年来研究结果如下：

（1） 石新武通过采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对钢制套片翅片管换热器进行了研究，发现波纹翅片的换热量大于平翅片的换热 量。

（2） 高天真、周俊杰等人利用翅片存在的周期性和对称性，对六排管Ｗ 型波纹翅片管换热器进行仿真模拟计算， 发现波纹平板波纹组合型和平板波纹平板组合型这两种类型的翅片平板的区域温度分布更为均匀，但波纹部分降温效果更优。

（3）  ＡｈｍａｄａｌｉＧｈｏｌａｍ采用参数化设计和仿真模拟技术，分析了新波纹翅片几何形状特征对波纹管流体流动和传热特性的影响， 发现增加翅片侧热交换面积，可提高效率，加强空气扰动，改善空气侧的传热。

（4）  ＷｅｉｌａｎＷｕ等人通过搭建实验台，测试了用作室外蒸发器的扁平翅片和波纹翅片换热器的性能， 发现 与波纹翅片相比，扁平翅片换热器更加延迟结霜，可有效减少除霜次数。在结霜条件下，扁平翅片换热器的综合传热性能优于波纹翅片换热器。此外，翅片类型 对热泵室外机的结霜有显著影响。

（5） ＨｕｉｚｈｕＹａｎｇ等人以Ｒ１１３为制冷剂，对平直翅片、锯齿翅片和穿孔翅片进行研究，发现锯齿状翅片的传热特性是三种翅片中最好的。  

翅片类型不同，对换热的影响也不同，我们可 通过改变翅片表面的平滑度、增加流体扰动，来达到增强换热目的。相对平直翅片来说，波纹翅片、锯齿翅片和穿孔翅片等会有较大的表 面面积和较高的粗糙度，所以换热性能一般也会高于平直翅片。

３ .３ 翅片间距

翅片间距原本就是为了增大换热面积， 随着翅片间距的增大，空气流通域增大，空气流动阻力减小，但随着翅片间距的不断增大， 换热面积会逐渐变小，导致换热量降低。

那么，什么才是合适的翅片间距？

（ 1 ） 张哲等人在四排管的前提下，分别对翅片间距为２ｍｍ、２．４ｍｍ 及２．６ｍｍ 的３种换热器进行了仿真模拟，从仿真结果可以得出翅片间距越小时，换热器的结霜速度越快。

（2） 润清等人利用ＭＡＴＬＡＢ编程和试验相结合 ，发现 翅片间距在１．４ｍｍ～２．４ｍｍ之间时，随着翅片间距的减小，换热量增大；除此之外还发现，即使随着翅片间距的减小，换热量是增加的，但是增幅却呈现逐渐降低的趋势，尤其是当风速较大时，换热量在翅 片间距低于１．８ｍｍ时基本保持不变。

（3） 刘建等人利用ＦＬＵＥＮＴ软件，研究了９种不同翅片间距对换热器换热能力和阻力性能的影响。结果显示，当翅片间距处于４ｍｍ～６ｍｍ之间时，可以认为此换热器的换热能力与翅片间距没有关系。间距＜４ｍｍ 时，随着翅片间距的逐渐增大，翅片间距对换热器的换热能力和压降的影响显出逐步降低的趋势，当翅片间距为３．５ｍｍ 时，换热器的换热能力与压降能够到达最佳平衡点。

（4） ＳａａｄＡｙｕｂＪａｊｊａ为了对高发热微处理器进行有效的热管理，对５种不同的换热器进行了研究，５种换热器分别是平板换热器以及翅片间距为０．２ｍｍ、０．５ｍｍ 、 １．０ｍｍ和１．５ｍｍ 的换热器，研究表明使用０．２ｍｍ翅片间距的换热器，实现了４０．５ ℃ 的最低换热器基础温度 。

（5） ＨｏｒｕｚＥ对换热器的理论和实验性能分析进行了研究，发现翅片间距越大意味着总传热系数越高，但是总面积也就越小，因此传热越少。

（6） ＳｏｍｃｈａｉＷｏｎｇｗｉｓｅｓ研究了翅片间距和管排数对不同翅片厚度下具有人字形波浪翅片配置的翅片和管式换热器的空气侧性能的影响，研究结果表明，换热器的换热性能随着翅片间距的变化而显著变化，当翅片间距增加，且Ｒｅ＞２５００时，换热器空气侧压降增加，而当Ｒｅ＜４０００时，管排数的增加会导致换热器的换热性能和压降性能都有一定程度的降低。

小结：

当翅片间距在４ｍｍ～６ｍｍ 之间时，翅片间距的大小对翅片管换热性能没有影响；

翅片间距越小，翅片结霜速度越快，随着翅片间距的减小，换热量增大，但换热量的增幅呈现减小的趋势。