[关键词]换热器；非对称翅片管；对流传热；换热系数；强化换热；换热效果翅片

    管式换热器是利用翅片扩大换热管表面积和促进介质的紊流提高传热效率，其在动力、化工、制冷等行业中应用较广。1994年康海军等人在不同翅片间距和管排数下，研究了9种不同结构平直翅片换热器的换热和阻力性能，得出了翅片间距、管排数对换热和阻力性能的影响规律。2000年Ricardo等人对板间的流体进行了三维模拟，借助可视模拟实验技术，揭示了翅片间距对传热和流阻的影响。2008年傅明星l4对双排平直翅片管换热器进行了三维模拟，结果表明翅片管顺排比叉排的换热效果差。1994年辛荣昌等人对三角形波纹型翅片管的研究发现，翅片间距的影响受控于管排数，翅片间距越小，阻力系数越大，而且管排数对阻力系数的影响很小。1997年Wang等人l6对18种不同结构以及顺排和错排条件下的典型波纹型翅片换热器进行了实验研究，结果表明波纹型翅片的换热系数比对应平翅片的换热系数高55～7o，压降损失比平翅片高66～140。1998年Madi等人对28种不同规格包括平翅片和波纹型的翅片管式换热器进行测试，结果表明波纹型翅片的换热因子和摩擦因子都比平翅片大。1994年张慕瑾等人_8对3种不同管排数的百叶窗翅片管换热器进行研究，指出在相同结构的换热器中，管排数越少，对流换热系数越大。1998年Wang等人对17个不同结构的百叶窗翅片管式换热器进行了实验研究，得出在不同雷诺数下管排数对换热的影响规律。2000年Wang等人。。又分析了2种百叶窗翅片在湿工况下的换热性能，结果表明在干、湿工况条件下，换热特性对翅片间距和管排数的变化不太敏感。按表面形式换热器可分为对称翅片和非对称翅片。非对称翅片主要包括管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片和开缝形式的非对称翅片。

    目前，对开缝式非对称翅片管换热性能的数值模拟研究较多口。，但是对管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片的研究显见报道。本文通过研究非对称翅片管换热器的传热过程和传热效果，对比了其与环状翅片管管束和光管管束的传热性能。1实验原理翅片换热面最大的优点是肋化系数大，但这会加大翅片间隙相对深度，使流体难以深入到翅根区域，管子基准面和翅根附近出现流体停滞区，使原来有效的换热区域失去其积极参与传热的活力。为此，本文提出了一种非对称翅片，该翅片沿来流方向伸展，尽量减少背向来流方向的翅片面积。利用其非对称的外形，交叉紧密排列翅片，使流体在翅片间流动过程中反复分流、合流，提高湍流度，减薄边界层，强化翅片表面传热。实验设计的非对称翅片形状和管束排布如图1、图2所示。

    非对称翅片换热器由11根铸铁材料的翅片管组成，第l层和第3层有4根管子，中间层3根管子，中间层的管束与上、下2层错列布置，并且其翅片与上、下2层的翅片叉排布置，每层管束通过连箱并联在一起。温度测点布置在翅片顶端及根部、换热器水侧和空气侧进出口，计算采用多次测量的平均值。为分析换热效果，首先要得到对流换热系数h：

    由于实验换热器是交叉流式，因此平均温差为：

    2实验过程实验时首先加热水箱中的水，再由水泵将其分别打人换热器的3层管束，风机直吹换热器表面，翅片延伸方向迎着来流空气，空气与翅片和水形成强制对流换热，最后水从换热器出口返回水箱(图3)。

    在换热器入口和出口各有1个热电偶，翅片管上设有编号1一编号15共15个测点，分别布置在管壁上和翅片顶端，其中空气进口侧的3根翅片管每根管布置有2个测点，分别在管子的两端；空气出口侧的3根翅片管每根布置3个测点，分别在管子的两端及中间。实验前要检查仪器，确保各测点测量值准确后，用加热棒加热水箱中的水，通过调节加热棒及水箱盖板，使水温稳定到一定温度后进行实验，实验工况见表1。

    测量并记录水和空气的进、出口温度，水流量、风速以及管束上测点的温度。3结果及分析4种工况下均为1，以非对称翅片管式换热器的翅片管总表面积A(A=0．881m2)为基准求得对流换热系数h，以光管外表面积As(A—O．4147m2)为基准求得对流换热系数h。，结果见表2。为了更好地说明实验结果，分别根据参考文献中推荐的公式对相同参数条件下的光管管束和环形翅片管管束的换热系数进行理论计算。由于文献是在最佳条件下所得，所以理论计算光管和环形翅片管束的对流换热系数要优于实验结果。通过理论计算可得光管对流换热系数h，环形翅片管束以总表面积为计算基准的对流换热系数h和以有效换热面积为计算基准的对流换热系数hh(表3)[1516]。1)非对称翅片管的换热效果优于普通光管管壳式换热器。由表2、表3可得，4种工况下，换热器总的换热系数最低为44．73w／(m。·K)，折算成光管面积计算为95．036W／(m。·K)；最高为74．92W／(m。·K)，折算成光管面积计算为159．162w／(m。·K)。而常用光管管壳式换热器热交换流体为清水和气时，传热系数为2O～70w／(m·K)。表4为非对称翅片管与光管管束传热系数比值。由表4可见，非对称翅片管的传热系数约为光管管束的3～4倍。可见，非对称翅片管式换热器的换热系数比普通光管管壳式换热器高，换热效果更好。这主要是由于翅片扩大了换热管表面积，促进了介质的紊流，强化了换热效果。2)相同参数条件下，非对称翅片管换热效果优于环状翅片管束。在相同翅片面积下，将非对称翅片折算成普通环状翅片，得到的翅片外径为75mm。在相同的参数条件下，比较以翅片管外侧总面积为基准求得的环状翅片管和非对称翅片传热系数，结果如图4所示。

    由图4可见，非对称翅片管的传热系数比环状翅片高出60以上。这主要是由于在该实验中非对称翅片管采用了翅片沿来流方向伸展，背向来流方向尽量减少翅片面积，并将翅片交叉排列的设计方案，从而流体在翅片间流动过程中会反复分流、合流，提高了湍流度，减薄边界层，使传热得以强化。3)风量的改变影响换热效果。实验显示4种工况下，进口水温相同时，风量减少一半，非对称翅片管换热器换热量减少33．93，同时其换热系数也会减小。相同参数条件下光管管束和环状翅片管束的表面传热系数分别减小38．42、34．35，非对称翅片管换热器的减小幅度较小。这是由于风量减少会造成风速降低，使流体湍流度随之减小，从而降低了换热效果，而非对称翅片管的湍流度和换热效果要优于其他二者，因此减小了风量改变对其换热效果的影响。4)非对称翅片管的紧凑性优于环状翅片管。相同翅片面积的环状翅片管束间的纵向截距为40mm，大于非对称翅片的22．5mm，横向截距与非对称翅片相同为144mm。非对称翅片管束所占空间体积为0．0278m。，环状翅片管束所占空间体积为0．0330m。。相同换热面积，二者的紧凑度分别为31．690、26．697m／m。，非对称翅片管束紧凑度是环状翅片管束的1．19倍。

    4结论1)在一定条件下，非对称翅片管式换热器的换热效果优于环状翅片管以及普通光管式换热器。2)风量的改变会影响换热效果。3)非对称翅片换热器的紧凑度优于相同换热面积的环状翅片，相同空间条件下可以布置更多的非对称翅片管束，以获得更好的换热效果。