一、课题背景

在许多工业过程中，大量的热量需要通过冷却系统来交换。冷水过程是工业生产全过程的一部分，它的各项参数是根据全过程来确定的。随着工业的发展，冷却塔对冷却水的需求也在增长^[1]。据有关资料统计，一个十万千瓦的热力发电厂，冷却水量需达9000t/h左右，一些大型化工企业的用水量甚至超过一些大城市的用水量^[2]。由此可见，节约水资源，提高资源利用率迫在眉睫。

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。虽然应用空气作为冷却剂性能要差一些。但只要选用合适的空气冷却器。利用取之不尽的空气作为冷却介质，较之水冷却器是一种显著的节能设备，同时也避免了比较敏感的水源污染和破坏生态平衡等问题^[3] 。空气冷却器的显著缺点就是占地面积比较大，空冷比例不易解决，因此，就需要优化空冷器的传热性能^[4]。所以，本课题提出一种优化思路，从优化翅片管结构这个角度出发，提高翅片管的传热性能以提高空冷器的冷却能力，节约更多的水资源。

二、翅片管的研究进展

迄今为止，国内外已有大量的技术人员对翅片管进行了广泛而又深入的研究。首先从翅片布置方式这个角度：李革^[5]提出了将低温工况下易结霜的换热器翅片管设计成变间距翅片结构的方案，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。计算结果表明，其传热系数分别提高了9.8%。Kobus. C.J ^[6]等建立了一个全面的理论和实验的钉状热沉模型，通过对比试验数据，验证了理论模型的结论，得出了翅片数量和翅片间距对传热性能的影响。曹景富^[7]通过数值模拟手段，对水平放置的热沉在自然对流条件下的散热状况进行了研究。研究发现在热沉的宽度不变的条件下，减少翅片间距并不能增加热沉的对流散热功率，翅片间距存在一极点能够使散热功率达到最佳状况。刘建勇^[8]等通过对四种不同翅片间距的新型纵流一体式翅片管管外流体的数值模拟，分析了不同翅片管流道中的速度场、温度场、压力场分布，得到了翅片管流道换热效率与压降的变化规律。张薇^[9]等利用计算传热学软件FLUENT，对不同翅片间距下单排管空气侧进行三维数值模拟，并对速度场、温度场进行分析和研究。Nae-Hyun Kim^[10]利用18根不同翅片间距的人字形波纹管，分成1-4排进行了传热与流动阻力方面的实验研究。陈明^[11]通过螺旋翅片管在工程中应用的例子介绍它的传热特性和阻力特性并给出了最佳结构尺寸。Yun .J.Y ^[12]等对翅片管换热器中翅片管不同断面处的传热性能进行了研究。