鋸齒形和波紋形板翅式換熱器研究現狀

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、結構參數以及工作參數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；工作參數

前言

節能減排是社會發展的永恒主題。化石能源通過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展狀態；因而具有高傳熱系數和高壓降，是一種高效能翅片。

在鋸齒形翅片結構參數的研究上，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，翅片對流換熱系數和壓降均減小。趙帥帥[3]通過數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化。結果表明：翅片節距對換熱影響最大，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變化的規律基本一致；且發現普朗特數的取值范圍會影響努塞爾數的計算結果。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的研究上，Yue-Tzu Yang[7]利用數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。Naznil Singh[9]對波紋翅片的傾角的研究發現傳熱系數在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。

對波紋形翅片工作參數的研究主要集中在工質的雷諾數上，王丹[11]發現在低雷諾數下，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小于7860時，凹壁面的努塞爾數更大；雷諾數大于7860時，凸壁面努塞爾的更大。董軍啟[13]的數值模擬和實驗結果表明，雷諾數在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]等人利用數值模擬的方法，研究了不同雷諾數下波紋翅片的性能。結果表明：各通道的性能隨雷諾數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能裝置，在工業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以及工作參數對兩種類型的板翅式換熱器性能的影響。結構參數上，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。工作參數上，工質的雷諾數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境仍存在差別，主要原因在于數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.

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[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).

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[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.

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[14] 郭瑞,閆江濤.不同波紋通道綜合性能的數值研究[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

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機械學院，研究方向：余熱回收。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.080

CLC NO.: TK172