文 献 综 述

一、课题背景

随着工业的不断发展，越来越多的热量需要通过中间冷却器来交换。空冷和水冷也随之被应用其中。空气冷却技术是20世纪40年代发展起来的用空气来冷却管内工艺流体的一种技术。虽然用空气作为冷却剂性能要差一些，但只要运用合适，再配上取之不尽的空气作为冷却介质，这样就会比水冷却器更节能。同时，环境问题和水资源问题也会得到相应的避免。

二、翅片管的研究进展

直至今日，国内外许多的技术人员对翅片管进行了深入的研究。石磊等[1]研究了在不同迎面风速下，对双排管空气侧进行了三位数值模拟，并对速度场、温度场进行了分析，拟合出了双排管阻力和平均传热系数随迎面风速变化的计算公式。吴亦三等[2]通过介绍用于余热锅炉等传热部件的翅片管设计准则和翅片管结构型式和连接方法，分析了不同翅片管结构尺寸及对传热特性的影响，提出了改善传热特性的途径。为了对翅片管肋片结构的优化，郭宏伟等[3]通过对传热面积、传热系数的分析，通过优化设计的方法选择最佳的翅片管肋片结构尺寸。管排数对管束换热的影响一直是工程师们普遍关心的问题之一。李斌等[4]通过整体模拟法求的管束的平均换热系数，得出光管管束其平均换热系数随着管排数增加而增加。而刘金平等[5]通过对翅片管蒸发器建立集中参数模型，研究了管排数对变频空调蒸发器换热性能的影响。研究结果表明，管排数增加，总换热量的增加并不显著，但管排数每增加一排平均每排管的换热量减少18%左右；风机功率越大，达到最大换热量的管排数也越多。傅明星等[6]利用三维稳态模拟研究了叉排和顺排布置形式、几何尺寸和雷诺数对双排平直翅片管换热器换热和流动特性的影响。近年来，流程布置的研究也引起了国内学者的重视，但公开的比较少，目前只有台湾工研院的Wang Chi-chuan，浙江大学的张绍志[7]，以及西安交通大学的郭进军[8]等。刘建等[9]通过正确选用实验关联式及性能指标，并将对翅片管换热器的优化设计及其制造提供可靠的依据。也有许多人对不同直径的翅片管进行了研究，如J.M. Wu[10]等人。

面对翅片管传热性能的研究，越来越多的人投身其中。马义伟等[11]研究采用单管传热风洞来测定国产的几种翅片管传热性能的差异。程菲等[12]以翅片管为传热元件，设计了冬季家用水-水热交换器，并对其传热特性进行了实验研究。杨冬等[13]用稳态的恒壁温法对3个椭圆翅片管空冷器和1个圆翅片管空冷器的传热和阻力特性进行了研究，得到空冷器空气侧的传热与阻力性能。李革等[14]通过对翅片管式换热器结构进行了优化设计和改进，并采用TESCOR平台#8212;#8212;换热器性能试验台对改进前后的换热器的热力性能进行了测试。提出了强化翅片管式换热器换热性能的两种方法：一种是将低温工况下的换热器翅片管设计成变间距翅片结构，使其既增加了管内翅片的传热面积，又提高了管内气流的流速；另一种是将空调工况下的换热器的等螺距内螺纹管设计成变螺距内螺纹管，以增加管内气流的扰动，提高传热系数。霜的结构及它的主要特点(密度、导热性等) 已是许多研究者研究的课题。在这一领域里, 研究活动最大的部分是直接针对简单的几何表面。翅片管式换热器几何形状比较复杂, 过去对它结霜问题的研究大多数是实验性的[15], 少数的理论研究中对空气侧的传热传质计算, 采用非结霜工况下的经验公式, 或是在此基础上做一些修正, 而且一般不考虑霜层阻力引起风量下降这一因素, 采用恒定迎面风速进行计算。各国学者对简单的几何形面物体, 如平板、圆柱、同心圆等结霜的研究已经进行的比较深入, 但对于翅片管蒸发器结霜的研究相对较少, 部分学者进行了翅片管式蒸发器结霜的研究[16]。赖建波[17]、张杰[18]、黄兴华[19]、张哲[20]和Dong-Keun Yang[21]、Sung Jhee[22]、Wai Meng Chin[23]等人都通过不同方面对翅片管换热器结霜除霜进行了研究且得出了结论。

目前对套片式换热器的研究基本都针对叉排结构形式,对顺排换热器的研究鲜见报道。从H.Y.Wong给出的光管管束的管外对流换热和流动阻力的计算式看, 顺排的换热系数与叉排相比平均低5%，流动阻力平均低50%。可见顺排与叉排相比,管外换热的下降比流动阻力的下降幅度小很多。前苏联的动力技术物理研究所对叉排和顺排的圆翅片管束的换热和阻力性能进行了研究, 结果表明, 顺排与叉排相比, 阻力低45%左右，换热性能低20%左右。W.M.Kays，A.C.London研究了顺排和叉排的套片管管束换热性能, 但所研究的顺排的套片管管束的管子是扁平管, 圆管的套片管管束只研究叉排形式, 而未研究顺排形式。

另外翅片管换热器还与制冷剂的流路有关。章国芳等[24]对翅片管式换热器管外不可压缩流体流动情况进行了三维数值模拟，分析了顺排和叉排两种管排方式、管排数、不同翅片间距对流体流动的影响，得出了圆管表面压力系数随排数变化的特性曲线和摩擦系数随雷诺数变化的特性曲线，不同翅片间距下进出口压降与入口风速的关系模拟结果与实验数据相符比较好，验证了模型的准确性。另外刘卫华[25]、肖彪[26]、杨杰辉[27]、高伟桐[28]和Mooyeon Lee[29]等都对制冷剂流路进行了研究。

热管换热器作为一种新型的节能设备已在我国逐步推广应用。目前主要用于各种工业炉烟道气的余热回收。翅片管束的阻力性能是热管换热器设计和应用中的一个重要因素在某些情况下，烟道气的允许阻力降只有几个毫米水柱，这往往成为热管换热器设计所必须满足的要求。在实际应用中，也经常看到由于管束的阻力过大而影响炉子正常运行的实例。对翅片管束的阻力特性已有若干研究报告和实验结果。除了研究阻力性能，不少学者还对其他因素进行了研究。如Wui-wai Cheng等[30]研究了电镀对翅片管式接口的热导的影响。

三、数值模拟