來振，郭朋彥，張瑞珠，楊奧雷

鋸齒形和波紋形板翅式換熱器研究現(xiàn)狀

來振，郭朋彥，張瑞珠，楊奧雷

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

文章簡述了板翅式換熱器的組成結(jié)構(gòu)以及分類，并基于國內(nèi)外學(xué)者對鋸齒形和波紋形板翅式換熱器的研究，討論了兩種不同類型翅片的換熱器的特點，按照翅片類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)對研究工作進(jìn)行歸納。

板翅式換熱器；鋸齒形；波紋形；結(jié)構(gòu)參數(shù)；工作參數(shù)

前言

節(jié)能減排是社會發(fā)展的永恒主題?；茉赐ㄟ^燃燒的方式轉(zhuǎn)化成熱能、動能以及其他能量，在轉(zhuǎn)化過程中，有大量的熱能存在浪費的情況，可以通過換熱器對多余熱量進(jìn)行回收工作，提高能源利用率，起到節(jié)能的作用。

板翅式換熱器本身結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，而且傳熱性能好，在工業(yè)余熱回收領(lǐng)域受到了廣泛的歡迎[1]。如圖1所示，隔板、翅片以及封條構(gòu)成了板翅式換熱器結(jié)構(gòu)的基本單元。

翅片是板翅式換熱器的核心元件，有平直形、鋸齒形和波紋形翅片三種常用類型。然而，在一些對換熱性能要求比較高的環(huán)境下，鋸齒形和波紋形比平直形翅片具有更好的換熱性能，所以國內(nèi)外學(xué)者針對鋸齒形和波紋形翅片的研究比較豐富。

圖1 換熱單元

1 鋸齒形板翅式換熱器

鋸齒形翅片是指相互錯開一定的間隔而形成的間斷式翅片，如圖2所示。這種特殊的結(jié)構(gòu)能周期性破壞翅片通道內(nèi)流體邊界層的，使速度、溫度邊界層一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)；因而具有高傳熱系數(shù)和高壓降，是一種高效能翅片。

在鋸齒形翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究上，董軍啟[2]通過風(fēng)洞實驗來研究翅片結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：隨著翅片間距和翅片高度的增加，翅片對流換熱系數(shù)和壓降均減小。趙帥帥[3]通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，結(jié)果表示：鋸齒形翅片具有較強(qiáng)的換熱能力，適用于高溫?zé)嵩吹纳?，但同時也伴隨著較大的阻力損失。文鍵[6]利用CFD軟件，對鋸齒形翅片進(jìn)行了性能分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明：翅片節(jié)距對換熱影響最大，翅厚對流動阻力影響最大，而翅片間距和翅厚對應(yīng)力影響最大；優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的換熱效率增加了10.62%，最大應(yīng)力減少了7.9%。

圖2 鋸齒形翅片

在對工作參數(shù)的研究上，H. Bhowmik[5]對鋸齒形翅片換熱器研究結(jié)果表明：翅片傳熱因子和摩擦因子隨雷諾數(shù)變化的規(guī)律基本一致；且發(fā)現(xiàn)普朗特數(shù)的取值范圍會影響努塞爾數(shù)的計算結(jié)果。國內(nèi)方面，李廣甫[6]對鋸齒形翅片的空氣流量進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明：換熱器效率隨其低壓側(cè)空氣流量的增大而增大，隨其高壓空氣流量的增大而減小。

2 波紋形板翅式換熱器

波紋翅片是在平直翅片上壓成一定的波紋形或者人字形，使得流體在彎曲流道中不斷改變流動方向，如圖3所示。效果與鋸齒形板翅式換熱器類似，都是通過促進(jìn)流體的湍動，分離或破壞熱邊界層來提高其換熱性能。

圖3 波紋形翅片

在對波紋形翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究上，Yue-Tzu Yang[7]利用數(shù)值模擬的方法對波紋翅片進(jìn)行研究，并與其他文獻(xiàn)的實驗結(jié)果對比，得出了波紋板的波紋角度和雷諾數(shù)對流動特性與傳熱速率有明顯影響的結(jié)論。Azher M[8]對波紋翅片的梯形通道進(jìn)行分析，結(jié)果表明：梯形高度為2.5mm，縱距為6mm是最理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)。Naznil Singh[9]對波紋翅片的傾角的研究發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)在20°傾斜角下最高。秦赟[10]針對波紋傾角和高度的研究結(jié)果表明：當(dāng)波紋傾角和高度增大時，換熱性能提高但是壓降增大，在波紋角為45°、波紋高度為10mm時換熱性能最優(yōu)。

對波紋形翅片工作參數(shù)的研究主要集中在工質(zhì)的雷諾數(shù)上，王丹[11]發(fā)現(xiàn)在低雷諾數(shù)下，波紋翅片的波紋波幅對于流體流動和傳熱性能的影響較大。王茜[12]的研究表明在雷諾數(shù)小于7860時，凹壁面的努塞爾數(shù)更大；雷諾數(shù)大于7860時，凸壁面努塞爾的更大。董軍啟[13]的數(shù)值模擬和實驗結(jié)果表明，雷諾數(shù)在1000-5500的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)模式更適合預(yù)測波紋翅片的空氣流動和傳熱。在相同的雷諾數(shù)下，波紋幅度對波紋翅片的傳熱和壓降有明顯的影響。郭瑞[14]等人利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同雷諾數(shù)下波紋翅片的性能。結(jié)果表明：各通道的性能隨雷諾數(shù)的增大均呈先下降后上升的趨勢。

3 結(jié)論

板翅式換熱器作為一種高效的節(jié)能裝置，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景。對板翅式換熱器的兩種翅片類型——鋸齒形和波紋形進(jìn)行了相關(guān)探討，同時也討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)對兩種類型的板翅式換熱器性能的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)上，翅片的高度與翅片間距對鋸齒形翅片的影響比較大，而對波紋形來說，波紋傾角對其性能影響最大。工作參數(shù)上，工質(zhì)的雷諾數(shù)是提高兩種翅片性能的關(guān)鍵。目前板翅式換熱器的研究方法與實際應(yīng)用環(huán)境仍存在差別，主要原因在于數(shù)值分析與實驗難以模擬出具體的使用情況，未來的研究也將會趨于實際化。

[1] 史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計[M],南京:東南大學(xué)出版社,2018,第六版.

[2] 董軍啟,陳江平,陳芝久.鋸齒翅片的傳熱與阻力性能試驗[J].化工學(xué)報,2007(02):281-285.

[3] 趙帥帥.錯位翅片型水冷散熱器流動與換熱性能研究[D].重慶:重慶大學(xué), 2016.

[4] JianWen,Ke Li,Xing Zhang,Chunlong Wang,Simin Wang,Jiyuan Tu. Optimization investigation on configuration parameters of serrated fin in plate-fin heat exchanger based on fluid structure interaction analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2018, 119.

[5] H. Bhowmik,Kwan-Soo Lee. Analysis of heat transfer and pressure drop characteristics in an offset strip fin heat exchanger[J]. Interna -tional Communications in Heat and Mass Transfer,2008,36(3).

[6] 李廣甫,郭憲民,張中芳.低溫空氣制冷系統(tǒng)中板翅換熱器性能實驗研究[J].低溫與超導(dǎo),2013,41(06):72-74.

[7] Yue-Tzu Yang,Peng-Jen Chen. Numerical simulation of fluid flow and heat transfer characteristics in channel with V corrugated plates [J]. Heat and Mass Transfer,2010,46(4).

[8] Azher M. Abed,M.A. Alghoul,K. Sopian,H.A. Mohammed,Hasan sh. Majdi,Ali Najah Al-Shamani. Design characteristics of corrugated trapezoidal plate heat exchangers using nanofluids[J]. Chemical Eng -ineering & Processing: Process Intensification,2015,87.

[9] Naznil Singh,Rajneel Sivan,Manuialouolaga Sotoa,Mohammed Fai -zal,M.R. Ahmed. Experimental studies on parallel wavy channel heat exchangers with varying channel inclination angles[J]. Experi -mental Thermal and Fluid Science,2016,75.

[10] 秦赟,關(guān)欣,頓喆,等.波紋板式空氣預(yù)熱器內(nèi)流動換熱過程的數(shù)值模擬[J].動力工程學(xué)報, 2015,35(03):213-218.

[11] 王丹,宮本希,王永慶,等.正弦波紋流道中流體流動和傳熱特性研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2014(10):102-104+108.

[12] 王茜,韓懷志,李炳熙.板式換熱器波紋通道的流動與傳熱機(jī)理[J].化工學(xué)報,2017,68(S1):71-82.

[13] Junqi Dong,Jiangping Chen,Wenfeng Zhang,Jinwei Hu. Experimen -tal and numerical investigation of thermal -hydraulic performance in wavy fin-and-flat tube heat exchangers[J]. Applied Thermal Eng -ineering,2010,30(11).

[14] 郭瑞,閆江濤.不同波紋通道綜合性能的數(shù)值研究[J].電力學(xué)報, 2014,29(02):174-177.

Research Status of Sawtooth and Corrugated Plate-fin Heat Exchangers

Lai Zhen, Guo Pengyan, Zhang Ruizhu, Yang Aolei

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power,Henan Zhengzhou 450045 )

This article briefly describes the structure and classification of plate-fin heat exchangers, and discusses the characteristics of two different types of fin heat exchangers based on the research of serrated and corrugated plate-fin heat exchangers by domestic and foreign scholars.To summarize the research work according to the fin type, structural parameters and working parameters.

Plate-fin heat exchanger; Sawtooth shape; Corrugated shape; Structural parameters; Working parameters

A

1671-7988(2020)24-242-03

TK172

A

1671-7988(2020)24-242-03

來振（1996-），男，碩士，就讀于華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，研究方向：余熱回收。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.080

CLC NO.: TK172