文 献 综 述

一、课题背景

水资源和能源问题是社会发展的重要问题，而火电厂正是两者的结合：水是生命之源，是人类赖以生存的最宝贵且不可替代的资源；电力企业是国民经济的重要组成部分和支柱产业，对促进经济增长、推进技术创新所发挥的作用越来越大，是实现节能减排目标和经济结构调整及转变发展方式的重中之重。工业是水资源消耗大户，其中热电、纺织、造纸和钢铁则是用水量最多的产业。四大产业中，热电用水最大，火电厂用水主要有循环冷却水、除灰用水、工业冷却水、锅炉补给水与化学用水等方面，其中冷却塔循环冷却水是火电厂消耗水资源最大，同时也是浪费水资源最严重的一环，应当作为节水和减排废水的重点[1-2]。

图1 双曲线冷却塔结构示意图

自20世纪70年代石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态和社会经济问题日益加剧，世界各国均充分认识到节能的重要意义。要研究如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源，如何高效回收化工、石油、火电等大工业生产过程中存在的大量余热并加以利用，都离不开换热器[3]。目前，国内外已经有很多关于如何进行优化、如何衡量换热器的效率、如何用最少的材料、能量消耗获得最大的、最有效热量的转换等方面的研究。而翅片管式换热器作为一种传热效率更高、应用更广泛的换热器，更是引起学者们的广泛关注[4-5]。

如上图1，经冷凝器出口的热水进入冷却塔，采用喷淋空冷等冷却方式降低热水温度，再循环利用。而上升空气通常会带走大量水汽，造成水资源浪费。本综述正是关于如何在火电厂冷却塔循环冷却水端充分利用翅片管式换热器降低热水的焓值，减少向大气中散失的水量，从而达到节水目的；同时，可利用循环冷却水余热加热锅炉给水，以提高机组运行效率。

二、翅片管研究进展

翅片管（如图2，图3）是为了提高换热效率，通常在换热管的表面通过加翅片，增大换热管的表面积，从而达到提高换热效率的目的。而随着翅片管的广泛应用，国内外学者对翅片管的研究也逐渐涉及到整体结构、翅片形状、翅片间距、角度、开孔、添加绕流发生器等多方面因素。

图2 翅片管实物图	图3 翅片管简图

1. 翅片管整体结构

荆峰[6]等分析了整体型和锯齿型螺旋翅片管的研究现状，并对比得出两种结构的翅片管性能的比较分析结果。李晓欣[7]等介绍了一种新型整体铝翅片（AIF）管，并在吸风式风洞实验台上进行了AIF管及其光管的对比性实验。实验结果表明，由于AIF管避免了钎焊时因焊缝而存在的接触热阻，从而有效的提高了AIF管的换热效果。刘健[8]、王真勇[9]等分别进行了螺旋折流板与弓型折流板三维翅片管换热器的壳程传热与压降性能的传热性能比较。得出结论：相同Re下，螺旋折流板换热器的Nu数是弓型折流板换热器的1.2~1.5倍，而压降却降低5%-12%，说明螺旋折流板三维翅片管换热器具有更高的传热性能。

2. 翅片管基管

宇波[10]等在相同质量流量，相同泵功率和相同压降三种不同准则下对不加芯管波纹内翅片管、加不堵塞芯管波纹内翅片管以及加堵塞芯管波纹内翅片管的强化传热效果与光管进行了比较，得出结论：加芯管或者堵塞芯管都能强化换热，并且加堵塞芯管的换热能力最强。而肖红[11]则对椭圆管与扁管式换热器的充分发展的周期性流动与换热特性进行分析，并在上述三种准则下对两者强化换热效果进行了比较，得出扁管板式换热器的换热性能优于椭圆管式换热器的结论。李革[12]等运用场协同原理将换热器基管由圆管改为椭圆管来提高换热器的换热性能，计算结果表明，其换热系数提高15%，阻力系数降低18%，对流强化换热性能显著提高。张利[13]等对椭圆翅片管及圆翅片管间的流动及传热规律进行了对比研究，分析了不同翅片间距、迎面风速对表面换热系数和流动阻力的影响，并与具有相同结构参数的圆翅片管进行了比较，结果表明：两种管子的表面换热系数和流动阻力都随着迎面风速的增大而增大，其中圆管表面传热系数要略高于椭圆管，但其流动阻力随迎面风速而增大的幅度要明显高于椭圆管。

3. 不同翅片形状

唐凌虹[14]等为考察不同形式翅片对空气侧强化换热的影响，研究了12种分别带平直、开缝、纵向涡、开缝与纵向涡混合、圆形共5个翅片型式的翅片管换热器元件空气侧的传热及阻力性能，并在相同质量流量、相同压降及相同泵功率三准则下进行了综合性能评价。得出结论：开缝翅片、纵向涡发生器翅片及混合翅片的换热综合性能均优于平直翅片，圆形翅片的换热综合性能最差。当Re数较小时，纵向涡发生器翅片的换热综合效果最好；当Re数稍大时，混合翅片表现出最好的换热综合效果；而当Re数较大时，开缝翅片的换热综合效果最好。Mi Sandar Mon[15]等就翅片间距对四排环形肋片管束在交错和线性排布的影响进行调查，由三维数值模拟显示：翅片之间的边界层的发展和翅片间马蹄形涡流基本上依赖于翅片间距与高度之比和Re数。田林[16]等对分别带有3种不同纵向内翅片（平直翅片、带有突起的翅片以及波纹形翅片）换热管的流动与换热特性进行了研究。实验发现：在其它几何尺寸基本相同时，在直翅片上增加突起可以强化传热，并且在增加翅片数目的同时采用波纹形翅片能大幅强化传热。

4. 翅片排数、间距方面

Worachest Pirompugd[17]等对波纹翅片管式换热器进行传热和传质特性分析，得出翅片几何参数对换热系数及传质系数的影响：对于单排翅片管，翅片间距及高度对翅片换热系数及流体传质系数有显著的影响，当间距减小时，二者均增加。但是当Regt;3000时，该影响变得不明显；且随着翅片管排数增加，传热及传质系数随翅片几何参数的变化趋势逐渐减弱。胡万玲[18]等研究了三角小翼式涡产生器式错排圆管片换热板芯在1, 2, 3, 4四种不同管排数下的局部对流换热系数以及平均对流换热系数、阻力系数，得出管排数对换热与阻力性能的影响规律，为进一步优化换热器性能提供了理论依据。卢智力[19]等研究了3种管子与4种管排及10种管排间距的平直翅片管换热器试件在燃气水加热器中的换热特性。结果表明：Re数及间距对翅片换热有较大影响。谭月普[20]等概述了翅片管研究中管间距对传热及流动阻力影响的国内外研究现状，讨论了不同翅片及基管类型结构尺寸下翅片间距对换热器传热和流动阻力影响的规律。Ricardo Romero-Mendez[21]等用可视化及数值模拟方法探究了不同翅片间距对板翅式管式换热器对流传热性能的影响，并提出一种新的准则用于换热器传热性能与成本的优化设计。马有福[22]等通过高温回流传热风洞实验系统，对5个锯齿螺旋翅片管错列管束进行了实验研究。研究发现：在实验研究的翅片螺距范围(3.83-4.16mm)内，相同Re数下随翅片间距增大，管束翅侧Nu数增大19％，传热性能得到强化，而当翅片间距大于4mm时其对翅侧Nu数的影响已不明显。

5. 翅片角度及其位置

魏小兵[23]等对两种不同角度的螺纹翅片管进行了传热与阻力性能试验，并总结得出：翅片角小的螺纹翅片管的传热性能要优于翅片角大的螺纹翅片管，而翅片角度的大小对流动阻力的影响较小。Gregory J.Zdaniuk[24]等对流体，螺旋角度25#176;~48#176;的螺旋翅片管和光管的传热系数和摩擦系数进行了实验测定，得到与其余研究文献较相符的结果。

6. 翅片管是否开孔及其位置

范宗良[25]等针对中心被堵平直内翅片管的两种结构#8212;#8212;翅片开孔和翅片不开孔，进行了流动与传热特性实验研究，获得了一定Re数范围内的Nu数及阻力系数f的关联式。结果显示：在相同几何参数下，翅片开孔结构的内翅管与不开孔结构的内翅管相比，传热过程得到明显强化。Balaram Kundu[26]等对多孔散热片对流环境中采取的开孔形式（多孔鳍形、矩形孔、凸椭圆形孔）进行计算分析，结果表明：多孔鳍形轮廓传热性能远远高于矩形孔式，略高于凸椭圆形式。黄钰期[27]等对锯齿翅片和波纹翅片的不同开孔方式对翅片流动传热特性进行了实验，研究发现：不同开孔参数对流动、散热有着不同的影响。Rasim Karabacak[28]等针对翅片管式换热器中翅片是否开孔两种结构，进行了流动和传热特性实验研究，并比较了不同开孔位置对传热性能的影响。研究发现，在Re数高于其临界值的情况下，开孔翅片的Nu数比无孔翅片管的Nu数高出12%。

7. 翅片管绕流发生器

楚攀[29]等对带纵向涡发生器的椭圆管翅片换热器空气侧表面的换热和流动特性进行模拟，分析了纵向涡对流场和温度场的影响，并通过场协同原理（减小速度与温度梯度的夹角，改善速度场和温度场的协同性）揭示了纵向涡强化换热的根本机理。孟继安[30]等研究了交叉椭圆管内截面交叉变化诱导流体产生强烈二次流和纵向涡流，改善速度场和温度场的协同关系，从而强化换热的机理。

8. 翅片管具体应用研究

陈叔平[31]等以分形理论的DLA模型为基础，建立了空温式翅片管气化器深冷表面上霜晶生长的二维模型，模拟了深冷表面上的霜晶生长过程，对进一步理解深冷表面上的结霜机理，探索有效的气化器抑霜除霜方法，提高深冷工况下的气化器换热特性有重要的指导意义。Prabhat Kumar Gupta[32]等将交叉逆流盘绕的翅片管式换热器应用于制冷循环回路中，对螺旋翅片管式换热器在低温中使用的相关性进行了探究。为满足不同的低温要求，他们提出新的设计参数：流体自由流动的横截面积。研究表明，该参数与实验数据的拟合度更高，误差在10%内。龙慧芳[33]等采用OpenGL的可视化技术与计算机编程技术，对制冷、化工领域常用的翅片管式换热器进行可视化仿真，详细介绍了采用三维图形来显示翅片管式换热器结构，以及用颜色渐变图显示仿真结果的方法，给翅片管式换热器的仿真和设计提供了一个有利的开发平台。樊艮[34]等结合国内换热器生产企业的实际情况，对翅片管式换热器性能优化设计计算提出新的思路。他们根据换热元件的基本尺寸、管程数、管程/壳程介质流速限制、压降限制、换热面积裕度限制等条件，对指定换热元件的换热器管排数、翅片数等结构参数布置进行逐层筛选优化，极大减少了计算量，提高了优化效率。

三、数值模拟

从研究手段上来说，主要有实验研究、理论分析和数值模拟三种方法，而由于理论研究分析需要进行诸多理想化的假设，带有一定的局限性，不能很好的与实验数据拟合。而信息技术的发展，各种流体建模及计算软件的出现，则很好的改善了这一问题。计算机数值模拟已然极大的推动了国内外学者们解决各种复杂流场中温度场，速度场等工程问题的进展。计算流体动力学（CFD）就是用离散化的数值方法及电子计算机对流体无黏绕流和黏性流动进行数值模拟和分析。可以弥补理论分析的不足，对流体力学等学科的研究进展带来了极大的便利[35]。

邱燕[36]等利用数值模拟计算的方法对自然对流条件下竖直放置的纵向翅片管的传热特性进行研究，得到了基管恒壁温下基管高度、翅片长度、翅片夹角及其交互作用分别对散热量和单位质量散热量的影响次序，并获得了计算范围内的竖直纵向翅片管的最优结构。Haci Mehmet Sahin[37]等对7个不同翅片倾斜角的平翅片管式热交换器进行数值模拟计算，用Gambit软件绘制模型，用Fluent软件模拟计算。结果表明：倾斜角为30#176;的翅片角强化传热效果最佳，且其压降值最小。R Borrajo-Pel#225;ez[38]等对空气-水热交换器传热过程进行了3-D数值模拟，从Re数、翅片间距、管径、翅片长度、翅片厚度5个方面进行研究，得到了较真实的温度轮廓，能更好的预测热交换器的性能。李化[39]等利用大型商业应用CFD软件Fluent根据周期性流动的特点模拟了一个周期的翅片管及管外的流体的流动和传热，得到了温度场、压力场、速度矢量等直观信息，为强化换热管的开发研究和结构优化提供了理论依据。梁德才[40]等利用CFD软件对散热器常用的平翅片和波纹翅片表面的流体流动及换热过程进行了数值模拟实验，结果表明：在相同流量的条件下，波纹翅片的压力损失比平翅片的大，平均表面换热系数及换热量均比平翅片的高，翅片的形状结构对流场分布和强化换热效果的影响也较大。Thomas Perrotin[41]等用2-D和3-D分别模拟紧凑型百叶窗式换热器的模型，进行了传热和压降性能的测定。结果显示：由于3-D模型能够考虑散热翅片的几何形状和散热片的导热性能，从而得出3-D模型更接近实验数据。L. Sheik Ismail[42]等对板翅式换热器中的带状翅片及波状翅片的传热性能进行相关的研究。鹿世化[43]等用数值模拟和实验两种手段对”U”型翅片管内部空间的空气流场进行了研究，给出了整场流速的分布，为翅片管的优化提供了依据。

四、结束语

本文所述文献对影响翅片管换热效率的各因素：换热器基管、翅片间距、翅片管排数、螺旋式翅片管翅片旋转角、翅片是否开孔、是否加装涡流发生器等多方面进行了研究，旨在探究合适的工况参数以获得最佳的流动及传热特性。上述文献也将多种不同形式的翅片管换热器进行对比分析以探寻增强翅片管换热能力的机理，并且还对有关翅片管换热特性的数值模拟也进行了论述。利用Fluent等专业软件对翅片管的换热进行数值模拟分析，可以提高产品的研究效率，减少设计成本，提高产品的可靠性。希望本文的综述可以对有关学者在进行翅片管换热方面的研究有所帮助。

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