翅片的分类与特点

翅片分类及其特点简介14121330彭启0.引言翅片是基本的传热元件，其作用是扩大换热面积，提高热传递的效率。翅片可以看成是隔板的延伸和扩展；其次，翅片的不同形式使空气在流道内形成了强烈的扰流，并使流动边界层和热边界层断裂、重组，从而强化换热；最后，翅片还可以提高散热器整体强度，有效扩大其应用范围。常用的翅片结构形式有平直翅片、百叶窗翅片、锯齿翅片、多孔翅片和波纹翅片[1]。图1典型翅片结构形式许多学者对翅片作了深入广泛的研究，本文利用翅片应用的环境，按照管内与管外；液体之间换热、液体与气体之间换热、气体与气体之间换热等方面对翅片进行分类，并详细阐述各种翅片的特点。1.管内与管外翅片的结构形式与特点在换热器及许多换热设备中，传热壁面两侧流体的对流换热系数的大小往往很不均衡，因此需要在传热壁面对流换热系数小的那一侧加装翅片。翅片管换热器所用翅片管有内翅片管和外翅片管两种，其中以外翅片管应用较为普遍。外翅片管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。翅片管的型式有螺旋翅片管、套装翅片管、滚轧式翅片管、板翅式翅片管[2]。其中螺旋形翅片管广泛应用于管内为液体或气液两相工质而管外为气体的场合，具有强化管外气流扰动、扩大换热面积的作用，从而增强传热，节约能源。同时由于其结构紧凑，使金属耗量减少，因此在电场锅炉中采用螺旋管束翅片管省煤器可大大节省运行费用，在国内外得到了迅速的推广应用[3]。为改进螺旋形翅片管易积灰且不易清理的缺点，近年来提出了H型鳍片管。H型鳍片管，亦称H型肋片管，是把两片中间有圆弧的钢片对称地与光管焊接在一起形成鳍片(肋片或蝶片)，正面形状颇像字母“H”。由于其鳍片表面特殊的沟槽结构，去除了部分在鳍片表面进口和尾部分离区中的换热面积，降低了进口和尾部分离区传热恶化对整个鳍片传热的影响，从而提高了鳍片的平均对流换热系数和鳍片效率，达到强化传热的目的，并避免了螺旋鳍片管束常见的因结构设计不合理导致的鳍片烧毁问题[4]。对于波纹内翅片管中对流换热与阻力特性的实验研究发现，翅片管的综合性能一般都强于光管，不同的管径及其翅片形式对换热强化影响很大，因此应根据管径大小合理选择翅片管结构[5]。2.液体之间换热翅片的结构形式与特点当管内管外都是液体的受迫对流时，如果换热壁面两侧的换热系数都很大，则没有必要采用翅片管。如水/水换热器，用热水加热冷水时，两侧换热系数都足够高，没有必要采用翅片管，但为了进一步增强传热，可采用螺纹管或波纹管代替光管；发电厂冷凝器，管外是水蒸汽的凝结，管内工质是水，两侧的换热系数都很高，一般情况下，无需采用翅片管。3.液体与气体之间换热翅片的结构形式与特点当管外是气体的受迫对流，管内是液体工质的受迫对流时，管外的换热系数就较管内的小得多。因此，管外的传热热阻便成为影响其总传热量的主要热阻(亦称控制热阻)。在这种情况下，管外空间传热的增强通常采用扩展表面即肋化表面来实现。研究证明，当21时，将传热面设计成肋化表面是无效的；当25时，将传热面设计成肋化表面可以起到强化传热的效果。而当管内是气体的受迫对流，管外是液体工质的受迫对流时，管内的换热系数就较管外小得多。因此，管内的传热热阻便成为影响其总传热量的主要热阻。在这种情况下，就需要在管内增加扩展表面即肋化或者加装扰流件使湍流强度增加从而使气体侧的传热性能增强。肋化表面不仅能起到增加参与对流换热的总有效面积、减小该侧传热热阻的作用，而且可使肋侧的壁面温度更加接近于同侧流体的温度。采用扩展受热面是强化传热的一种有效途径，扩展表面的应用是缩小换热器体积、减轻换热器重量、提高换热器效率的重要措施。正因如此，扩展传热面的研究和设计日益得到广泛得工业应用。采用管内、管外扩展表面的对流受热面可以增加传热量，节省金属消耗，并使通风阻力和工质流动阻力有所降低，己经成为锅炉及换热器对流受热面的发展方向，得到了愈来愈广泛的应用。扩展表面的型式多种多样，在对流受热面中经常采用的有圆形、方形和螺旋形翅片管，带纵向肋片的鳍片管，以及用纵向肋片管组成的膜式对流受热面等。由于各种扩展表面所增加的受热面积不同，其对流体的扰动程度也不同，因此它们对传热强化的效果也不相同。人们在进行强化翅片表面换热的研究中，提出了各种强化换热的方法，主要有以下几种：一是增强空气侧的湍流强度，可通过不断改变气流来流方向，来达到强化换热的目的，主要采用将翅片冲压成波纹形，由此产生了波纹形翅片类型。二是采用间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等[6]。由于平翅片换热器在结构和制造上的简单方便、运用上的耐久性及其较好的适用性，到目前为止，制冷工程中大量使用的换热器（如氨冷风机蒸发器，表面式空气冷却器等）仍广泛采用矩形平肋片作为扩展表面。矩形平肋片具有结构简单紧凑、利于除霜、容易制造等优点，同时由于其仅仅依赖于增大传热面积来强化传热导致传热效果较差，特别是在管内流体相变换热，管外空气受迫流动换热的热交换器中，空气侧尽管加了肋片，其热阻仍然是整个传热过程中的主要热阻[7]。由于波纹形翅片可以加大空气流道的长度，并且能够对气流造成充分的混合，所以也被空调制冷广泛采用。波纹翅片可以改变气流的来流方向，大大增加了空气换热面积，增强了流体扰动，由于漩涡的形成与分离，减薄或者破坏了热边界层的连续发展，使其换热特性得到有效强化，同时也带来了较大的阻力损失，但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。在湿工况下，条缝翅片的阻力增加较多，系统风量会减少，此时，可考虑采用波纹形翅片换热器，且翅片间距不宜太小[8]。条缝形翅片具有高效的换热性能，流体通过条缝形翅片时，涡旋首先在下游出现，随着雷诺数的增加，涡旋出现点向上游前移。当翅片间距减小时，在较小的雷诺数下，涡旋就开始出现。这一现象说明，在小的翅片间距下，由于涡旋的产生，换热系数被增强。对于连续型波纹翅片,开缝有利于消除横向涡,并使流体混合得更加充分，从而提高翅片的流动和换热性能；在开缝翅片的拐角和缝隙处，局部换热系数变化剧烈；换热系数的极大值出现在拐角上游或者翅片的前缘，而极小值则出现在拐角下游或者翅片的后缘[9]。在干工况下，尽量采用换热系数大的翅片形式，如条缝翅片，但由于条缝翅片的阻力较大，因此，在需要相同换热量时，尽量选用迎风面积较大的，而不是排数较大的，以充分利用增强型翅片的优点，而不增加它的风机功率。百叶窗形翅片是一种换热系数较大的翅片形式，当翅片换热器需要在干、湿工况下交替运行时，可在翅片表面添加亲水性镀膜，它对换热性能影响极小，但可极大地降低湿工况下空气流动阻力，对百叶翅片的效果更佳。在此情况下，可尽量采用百叶窗形翅片。4.气体之间换热翅片的结构形式与特点当管内管外都是气体的受迫对流时，如果管子两侧的换热系数都很小，为了强化传热，应在两侧同时加装翅片。若结构上有困难，则两侧可都不加翅片。在这种情况下，若只在一边加翅片，对传热量的增加没有明显的效果。例如传统的管式空气预热器，管内是空气的受迫对流，管外是烟气的受迫对流。属于气体之间的对流换热，两侧的换热系数都很低，管内加翅片又很困难，可以使用光管；热管式空气预热器中，虽然仍是烟气加热空气，但因烟气和空气都是在管外流动，故烟气侧和空气侧都可方便地采用翅片管，使传热量大大增加。5.翅片的影响参数翅片高度：增加翅片高度，将增加外表面积，但该参数受到了以下因素的限制。翅片高度影响质量流量这一基本参数，该参数影响传热和压力降；整体型翅片的制造限制要比对锯齿型翅片管的限制得多；翅片效率下降，同样，整体型翅片要比锯齿型翅片下降严重；对于翅片高度小于12mm的翅片，推荐使用整体型螺旋翅片。如保持其它参数不变，仅增加翅片高度，则换热器成本首先下降，然后不变，最后又开始增加，这是由于换热面积的增加量被较大的管间距效应、较低的气体流速、较低的翅片效率和较低的流体渗透率所抵消的缘故。翅片厚度：较小的翅片厚度可以带来较高的翅片密度，但是同时也降低了翅片效率，降低了结构刚度。最小翅片厚度通常为0.9mm，如用以处理腐蚀性/润滑流体或高温流体时，需使用厚度更大的翅片，厚度可达4.2mm，而对于小直径情形，将受到一些限制。最常用的翅片厚度为1.2mm[10]。翅片密度(间隔)：为了获得单位管长的最大外表面积，需使用最高的允许翅片密度，但是过高翅片密度带来压降过大，气体不完全渗透，污垢加重等问题。参考文献[1]徐振元.工程车辆波纹翅片散热器特性分析与应用研究[D].吉林大学,2012.[2]蒋翔,李晓欣,朱冬生.几种翅片管换热器的应用研究[J].化工进展,2003,22(2):183-186.[3]陈亚平,徐礼华.锅炉省煤器采用翅片管代替光管的改造方案探讨[J].锅炉技术,1997(8):25-27.[4]杨大哲.H型鳍片管传热与流动特性试验研究[D].山东大学,2009.[5]贺群武,罗来勤,王秋旺,等.波纹内翅片管中对流换热与阻力特性的实验研究[J].工程热物理学报,2003,24(4):655-657.[6]刘建,魏文建,丁国良,等.翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展——实验研究[J].制冷学报,2003,24(3):25-30.[7]王厚华,黄震夷.制冷换热器肋片管的强化换热实验研究[J].重庆建筑大学学报,1995,17(2):45-51.[8]樊越胜,冯丽,孙兵.空调用空气换热器翅片形式的选择[J].全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集(2),2004:226.[9]许伟,闵敬春.开缝对波纹翅片流动和换热性能影响的数值分析[J].清华大学学报:自然科学版,2005,45(5):152-152.[10]荆锋,马有福,袁益超.整体型和锯齿型螺旋翅片管研究综述[J].能源研究与信息,2010(003):133-138.