管排数对波纹翅片管换热器的性能影响研究

王冠 徐国强 张童

西安建筑科技大学建筑科学与设备工程学院

0 引言

翅片管换热器广泛应用于空调系统中[1]。由于空气侧的传热系数较低，常在空气侧加装翅片从而提高传热性能。波纹翅片管换热器的传热性能介于百叶窗翅片管换热器与平直翅片管换热器之间，其连续的波纹结构可以抵抗不利环境，常用于解决由于沉积颗粒物以及冻结水所引起的堵塞或者结垢问题[2]。

在换热器实际生产过程中，一般根据标准工况进行设计[3]，未与实际环境相结合，造成能源浪费。为优化现有设计生产方案，本文利用Matlab 模拟计算了不同气象参数下换热器的换热量，除湿量，进出口空气温差及进出口水温差与结构参数的关系，从而对换热器在不同区域运行时应采用的最优管排数这一问题提供技术参考。

1 数学模型

本文以逆流式波纹翅片管换热器为研究对象，管内径为8.82 mm，纵向管间距为25 mm，翅片厚度为0.115 mm，翅片间距为2.8 mm，横向管间距为21.65 mm，示意图见图1。

图1 波纹翅片管换热器示意图

本文使用分排参数法[4]进行建模。沿空气流动方向按管排数N 将波纹翅片管换热器划分为N 个控制体，结合每排的干湿工况选择不同的理论公式对换热器分排进行建模。

水侧模型公式：

式中：Q 为换热量，kW；αw为水侧换热系数，W/(m2·℃)；Ai为换热器管内横截面积，m2；twall为壁温，℃；tw1、tw2分别为进、出口水温，℃。

式中：W 为水流量，kg/s；cwm为水平均质量比热容，kJ/(kg·℃)。

空气侧模型公式：

式中：αα为空气侧换热系数，W/(m2·℃)；Ao为换热器外表面换热面积，m2；t1、t2分别为进、出口空气温度，℃；twall为壁面温度，℃。

式中：mα为空气流量，kg/s；h1、h2分别为进、出口空气的焓值，kJ/kg。

水侧换热系数采用Gnielinski 方程[5]计算：

式中：f=(0.79lnRew-1.64)-2；Rew为水侧雷诺数；Prw为水侧普朗特数。

空气侧换热系数在干工况下采用Wang 等人[6]提出的关联式计算：

式中：Dc为翅片根部管直径，mm；ReDc为基于翅片根部管直径的雷诺数；Pl为纵向管间距，mm；Pt为横向管间距，mm；Fp为翅片间距，mm；θ 为波纹翅片角度，°；N为换热器管排数。

湿工况下采用Kuvannarat 等人[7]提出的关联式计算具体如下：

式中：At为换热器总表面积，m2；Ap,o为换热器外表面换热面积，m2；δf为翅片厚度，mm。

2 管排数对性能影响的结果分析

本文以西安，杭州与广州三个城市作为代表城市在入口水温为7 ℃、风速为2 m/s、水流速度为1 m/s 的运行参数下进行仿真研究，三个城市六月份平均温度及平均相对湿度分别为26.5 ℃及55%，4.8 ℃及81.7%，28.2 ℃及83%。

2.1 不同翅片间距的情况下

对于杭州，广州与西安地区，在翅片间距为2.8 mm，3.0 mm 和3.2 mm 几种情况下，进出口空气温差，进出口水温差，换热量及除湿量随管排数而变化的情况如图2、3 所示。可见，在相同翅片间距下，换热器的进出口空气温差，进出口水温差，换热量及除湿量随着排数的增加逐渐增加。在相同排数下，换热器的进出口空气温差，进出口水温差，换热量及除湿量随着翅片间距的减小逐渐增加。管排数越大在不同地区应用时的数值差异越大。

图3 在不同翅片间距下进出口空气温差及进出口水温差随管排数的变化情况

管排数为4 排时，当翅片管间距为2.8 mm，广州地区换热量及除湿量分别为7.66 kW 及6.86 kg/h。杭州地区换热量及除湿量分别为6.22 kW 及5.16 kg/h。西安地区换热量及除湿量分别为6.21 kW 及3.52 kg/h。杭州地区较广州地区换热量及除湿量分别减小18.8%及24.8%，较西安地区换热量及除湿量分别增加0.1%及31.8%。

管排数为10 排时，当翅片管间距为2.8 mm，广州地区换热量及除湿量分别为14.35 kW 及13.03 kg/h。杭州地区换热量及除湿量分别为11.35 kW 及9.55 kg/h。西安地区换热量及除湿量分别为10.19 kW及5.84 kg/h。杭州地区较广州地区换热量及除湿量分别减小20.9%及26.7%，较西安地区换热量及除湿量分别增加10.2%及38.8%。

2.2 不同横向管间距情况下

对于杭州，广州与西安地区，在横向管间距为25 mm，27 mm 和29 mm 几种情况下，进出口空气温差，进出口水温差，换热量及除湿量随管排数而变化的情况如图4、5 所示。可见，在相同排数下，换热器的进出口空气温差，进出口水温差，换热量及除湿量随着横向管间距的增加逐渐增加。

图4 在不同横向管间距下换热量、除湿量随管排数的变化情况

图5 在不同横向管间距下进出口空气温差及进出口水温差随管排数的变化情况

为了保证换热量在9～11 kW 的范围内，当横向管间距为25 mm 时，在西安可取管排数为8～10 排，杭州可取管排数为7～9 排，广州可取管排数为5～7 排。当横向管间距为27 mm 时，在西安可取管排数为7～9排，杭州可取管排数为6～7 排，广州可取管排数为5排。当横向管间距为29 mm 时，在西安可取管排数为5～7 排，杭州可取管排数为5～6 排，广州可取管排数为4 排。

3 结论

本文使用Matlab 数值仿真对波纹翅片管换热器进行计算，探讨了在不同地区时使用不同的结构参数对换热量及除湿量的影响，为后续波纹翅片管换热器的优化设计提供参考。

1）当其它参数相同时，换热量与除湿量随着管排数的增加而逐渐提高，但增强趋势逐渐变缓。翅片间距的减小以及横向管间距的增加同样可以提高换热量与除湿量。

2）当管排数由4 排提高至10 排后，杭州地区较西安地区应用时增加的换热量提高10%。

3）为保证波纹翅片管换热器在不同区域应用时的换热量在9～11 kW 内。当横向管间距为25 mm，翅片间距为2.8 mm 时，在西安可取管排数为8～10 排，杭州可取管排数为7～9 排，广州可取管排数为5～6 排。