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1、1对板式换热器传热性能的研究及其影响因素的分析摘要：本文阐述了近些年关于平直形和波纹形板翅换热器的研究进展，旨在对板翅换热器传热特性及阻力进行分析，为读者提供研究板翅换热器的数值计算法和 ANSYS 数值模拟法；同时，根据研究目前的研究现状，讨论了翅换热器翅片厚度、板间距以及翅片节距对翅片性能的影响。1引言二十世纪三十年代，英国的马尔斯顿艾克歇尔瑟（Marston Excelsior）公司首次开发出铜及铜合金制板翅式换热器，并将其用作航空发动机散热器。此后，各种金属材料的板翅式换热器相继出现在工程应用中，唯以铝合金材料为主。我国是从 60 年代初期开始试制，首先用于空分制氧，制成了第一套板翅式
2、空分设备。目前，板翅式换热器是国内应用最广的换热器之一，它具有体积小、重量轻、适应性强、换热效率高等优点，已在石油化工、电子、航空航天、原子能、武器工业、冶金、动力工程和机械等领域得到广泛应用。但由于存在大量窄小的翅片通道，使得板翅式换热器的流动阻力较大，污垢问题较严重，在安装以及流道布置上较困难。在保证换热器的质量和体积的前提下提高换热器的换热能力同时使阻力增加的不大是目前换热器设计的一个方向。2传热机理及研究方法平直翅片的流道是一个连续流道，平直翅片的强化传热效果不如错齿翅片和百叶窗翅片，但是平直翅片具有良好的传热性能和低阻力性能，同时考率到汽车排放法规开始对非公路车辆提出了严格的要求，一
3、些非公路车辆纷纷采用增压中冷技术，以适应日益严格的环保要求，这样平直翅片在农用机械和工程机械等非公路车辆上得到了广泛的应用。因此对其的传热和阻力性能研究也就有着更为重要的现实意义和工程价值目前对平直翅片研究以凯斯和伦敦最有影响。2008 年，阎振贵根据现有文献中提到的平直板翅式换热器设计方法和翅片效率等若干参数的计算方面进行探讨。指出原有设计方法存在的问题，不断提高板翅式换热器的设计精确度，并结合例题提出新的设计方法。波纹翅片是将平直翅片压制成一定的波形，当流体流过波形表面的凹面时会形成漩涡。这种漩涡称为 Goertler 漩涡。当流体流过凹进的波纹形表面时这些漩涡成反方向旋转，产生一种类似于
4、螺旋形流动的流型。此外，在下游壁面的凸面会形成局部的流体脱离现象。这些现象都能使传热得到强化。Goklstein 和 sparrow 使用传质方法来测量波纹形翅片的局部舍伍德数 Sly所测的波纹形翅片具有两个完整的波纹，波角为 21 度，波纹间的距离为1.65mm，流动方向上总的水平(投影的)趣片长度为 18. 5mm，他们测量了舍伍德数的局部和平均分布，也确认了复杂的流动现象。他们发现，由于壁面波纹引起的换热系数的强化在低 Re 时是小的（在 Re=1000 时约为 25%） 。但在低紊流区则是可观的（在 Re 为 6000 至 8000 时约为 200%） ，强化是由于 Goertler
5、涡系引起的。2同时，由于波纹翅片每个通道中都没有间断的壁面，它们不像错置带状翅片那样易积垢和捕捉颗粒。但它们的性能与错置翅不相上下，且摩擦因子随 Re数的增加而下降。波纹状的翅片能破坏流体在流动方向的流动，产生复杂的流型。在不同的文献中对波纹形翅片只简单介绍了波纹翅片的强化传热机理，而对其换热性能增加的倍数记录各不相同，限制了在工程上的应用。本文以 Kays和 Hondon 的紧凑式热交换器中有关波纹形翅片的试验数据为依据，与同雷诺数下矩形翅片和矩形开缝翅片相比较，从而得出波纹翅片的数值计算依据。2008 年，甘建德和柴苍修运用 ANSYS 软件中的 FLOTRAN 模块，对板翅式换热器中的锯
6、齿形翅片的湍流流动和传热特性进行了模拟仿真并对模拟结果进行分析，证明模拟结果与理论吻合较好，说明运用 FLOTRAN 来分析板翅式换热器传热特是简便、直观的方法。3研究成果2006 年，阎振贵通过理论分析和实际计算，讨论了翅片节距对翅片性能的影响，并对不同种类、不同规格翅片的性能进行了比较，得出结论：在同样翅片高度的情况下，翅片节距变小、性能有提高的趋势，所以所有翅片应向节距小的方向发展；适当高度和节距的多孔形翅片，性能不亚于锯齿形翅片；同一种翅片在不同的场合使用，会表现出不同的特性。2007 年，董军启、陈江平等人对 11 种不同结构参数的紧凑式板翅换热器平直翅片的传热和流动阻力进行了试验研
7、究，分析比较平直翅片间距、翅片高度、翅片长度对其传热和流动阻力的影响。结果表明，翅片间距对传热和流动阻力影响较小，而翅片长度和高度对其传热和流动阻力有重要影 n 威同时对 11种翅片的 220 个试验数据点进行了 J 因子和.厂因子的试验关联式拟合，拟合关联式的误差范围为士 l0%。2009 年，何磊和缪红建对平直板翅式换热器进行热工性能和压阻特性的实验研究，根据实验数据利用 MATALB 中的 polyfit 函数拟合出换热量、空气流量、空气进口温度、空气侧压降以及传热系数随变频器的频率变化关系。2010 年，王先超、水黎明和刘继华摘要：片与矩形开缝翅片在同雷诺数的情况下进行比较，获得波纹翅
8、片与矩形波 J 因子和咽子在不同雷诺数下的倍数关系。在 Re=400-2000 范围内，波纹翅片 J 因子是同雷诺数下矩形波的 2 -2.8倍，咽子是同雷诺数下矩形翅片的 2.8 -4 倍。在 Re=2000 -10000 范围内，波纹翅片的传热因子 J 是同雷诺数下矩形开缝翅片的 2-2.8 倍，阻力因子堤同雷诺数下矩形开缝翅片的 3.5-4 倍。破纹翅片与矩形开缝翅片的 J 值随雷诺数的变化很小，两者非常接近。2013 年，李顺达、刘成等人以一台翅片材料为铝的板翅式换热器算例，通过理论分析和实际计算，研究了板翅式换热器的翅片厚度、板间距以及翅片节距的变化对换热器传热性能和阻力性能的影响。知
9、，换热器翅片的形状和大小对换热器内部压降会有很大的影响，当换热器金属板间距和翅片节距变大时，流通而积将变大，内部阻力和压降将变小。而翅片厚度对换热器的阻力性能影响较小，但会影响着换热器的质量。4结语3近年来,板翅式换热器的设计理论、试验研究、 制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾,特别是一些新 技术的渗透,使其应用范围更加广泛,进入了一个新的发展时期。特别是 CFD 技术在板翅式换热器设计开发中越来越广泛的应用,但对其进行的研究与工程实际需求还相差较远,还需将理论分析、实验研究、CFD数值模拟这三种研究手段巧妙地结合起来,可以收到相互补充、相得益彰的作用。参考文献1 阎振贵. 板翅式换热器翅片性能的比较和选择. 杭氧科技.2006.112 董军启，陈江平，袁庆丰. 板翅换热器平直翅片的传热与阻力性能试验. 农业机械学报.2007.83 阎振贵. 板翅式换热器翅片效率等问题的探讨.杭氧科技.2007.44 甘建德，柴苍修. 板翅式换热器的传热特性研究. 机械工程与自动化.2008.45 何磊，缪红建. 板翅式换热器的热工性能和压阻特性实验研究. 船州.2009.66 王先超，水黎明，刘继华. 板翅式换热器波纹翅片传热特性与流阻分析. 河南机电高等专科学校学报.2010.37 李顺达，刘成. 板翅式换热器翅片对传热和阻力性能影响的研究. 内燃机与配件.2013.11
