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

（華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450045）

文章簡述了板翅式換熱器的組成結構以及分類，并基于國內外學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、結構參數(shù)以及工作參數(shù)對研究工作進行歸納。

板翅式換熱器；鋸齒形；波紋形；結構參數(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^燃燒的方式轉化成熱能、動能以及其他能量，在轉化過程中，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構緊湊、輕巧，而且傳熱性能好，在工業(yè)余熱回收領域受到了廣泛的歡迎[1]。如圖1所示，隔板、翅片以及封條構成了板翅式換熱器結構的基本單元。

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，所以國內外學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。這種特殊的結構能周期性破壞翅片通道內流體邊界層的，使速度、溫度邊界層一直處于發(fā)展狀態(tài)；因而具有高傳熱系數(shù)和高壓降，是一種高效能翅片。

在鋸齒形翅片結構參數(shù)的研究上，董軍啟[2]通過風洞實驗來研究翅片結構，結果表明：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)值模擬的方法進行研究，結果表示：鋸齒形翅片具有較強的換熱能力，適用于高溫熱源的散熱，但同時也伴隨著較大的阻力損失。文鍵[6]利用CFD軟件，對鋸齒形翅片進行了性能分析以及結構優(yōu)化。結果表明：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力影響最大；優(yōu)化后結構的換熱效率增加了10.62%，最大應力減少了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)的計算結果。國內方面，李廣甫[6]對鋸齒形翅片的空氣流量進行了實驗研究。結果表明：換熱器效率隨其低壓側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

在對波紋形翅片結構參數(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行研究，并與其他文獻的實驗結果對比，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論。Azher M[8]對波紋翅片的梯形通道進行分析，結果表明：梯形高度為2.5mm，縱距為6mm是最理想的結構參數(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果表明：當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)值模擬和實驗結果表明，雷諾數(shù)在1000-5500的范圍內，標準模式更適合預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——鋸齒形和波紋形進行了相關探討，同時也討論了結構參數(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。結構參數(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，工質的雷諾數(shù)是提高兩種翅片性能的關鍵。目前板翅式換熱器的研究方法與實際應用環(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.熱交換器原理與設計[M],南京:東南大學出版社,2018,第六版.

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[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, 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.

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[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

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1671-7988(2020)24-242-03

TK172

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1671-7988(2020)24-242-03

來振（1996-），男，碩士，就讀于華北水利水電大學機械學院，研究方向：余熱回收。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.080

CLC NO.: TK172