翅片厚度对翅片管换热器性能影响的分析

赵夫峰

（广东美的制冷设备有限公司，广东佛山 528311）

翅片厚度对翅片管换热器性能影响的分析

赵夫峰*

（广东美的制冷设备有限公司，广东佛山 528311）

本文数值分析了翅片厚度对不同结构的翅片管换热器性能的影响。仿真结果表明：翅片管式换热器管径、片宽、片距越大，翅片厚度对换热性能影响越大；开缝翅片与平片相比，翅片厚度对换热性能影响较大；翅片厚度对不同排数换热器的换热性能基本无影响；翅片厚度对小管径和小管间距换热器的性能影响较小。

翅片管换热器；数值模拟；换热性能；翅片厚度

0 引言

翅片管式换热器是空调中最常用的换热器结构形式。换热器是空调器性能提升的关键技术，行业内对翅片管换热器的片型、管形、流路等进行了大量研究。屈治国等[1]和金巍巍等[2]运用场协同理论，对翅片开缝位置依据“前疏后密”原则进行了优化设计；楚攀等[3-12]中外研究人员对换热器翅片涡发生器传热性能进行研究；黄翔超等[13]对5 mm强化管蒸发器中齿形参数进行研究及优化设计；吴照国等[14]对5 mm换热器的流路进行优化设计；张凡等[15]对不同材料翅片管换热器特性进行实验研究；张智等[16]曾对两排宽片与窄片组合换热器进行数值和实验研究，宽片与窄片组合换热器与两排宽片换热器性能基本一致。文献[17]对单排翅片管式换热器不同片宽的数值和实验研究表明，对于单排翅片换热器，片宽对性能影响明显。上述研究基于换热器厚度不变情况下，对翅片不同开缝型式、流路、管形、翅片材料进行研究。

在空调行业内，翅片管换热器翅片有不同厚度（以0.095 mm、0.105 mm为主）。本文通过对不同翅片厚度对应各种规格换热器进行数值模拟，分析翅片厚度对不同规格换热器的影响，并针对不同规格换热器给出推荐的翅片厚度，力争换热器性能和成本最优，提升产品竞争力。

1 数学物理模型及验证

1.1 物理模型

本文所研究的开缝翅片结构简图如图1所示，翅片计算模型如图2所示。模型考虑了管径的翻边厚度并纳入管外换热的计算。

图1 翅片管式换热器结构示意图

图2 翅片管式换热器计算模型示意图

1.2 数学模型

1.2.1 计算模型及控制方程

利用对称性，建立翅片的基片位于计算模型的中间：假定空气侧流动为不可压、稳态和常物性对流换热过程。控制方程包括了三维的连续性方程、动量方程和能量方程。假定铜管内、外表面温度保持不变，忽略翅片和铜管间的接触热阻。计算条件为：取铜管壁温度318 K，外界气流温度308 K。压力一速度耦合采用SIMPLE方法，翅片表面采用自身导热和对流换热的耦合方式，区域的边界使用对称性边界条件和周期性边界条件，其控制方程见文献[18]。

1.2.2 边界条件

计算中为了保证进口处的均匀流速，把计算区域向上游和下游分别延长相应的流动深度。进口边界条件为流度、温度均匀分布；出口为充分发展边界条件。所有延长段的侧面均为对称性边界条件。在换热片区域，前、后（侧面）流体区和翅片区域均为对称性边界条件，管壁区为无滑移恒壁温边界条件，上、下流体区域为周期性边界条件。

1.2.3 网格独立性验证

采用四面体网格分别对流体和固体部分进行划分。为了提高解的精度和可靠性，首先进行网格独立性测算，采用不同的网格密度重复同样的计算，比较所得的结果，对验证计算结果的可靠性具有非常重要的意义。以模型（由两排外径7 mm铜管构成）为例，分别采用网格数量为48万、60万、71万、82万和95万时，以48万网格为基准，压降和换热量相对于基准网格的变化率如图3所示，当网格大于71万时，压降和换热量的变化率非常小，考虑到仿真计算时间，因此采用大于71万网格完全能够满足现有计算的精度要求，且在实际仿真中采用的网格数均大于71万。

图3 网格独立性验证

1.2.4 模型验证

以两排外径9.52 mm铜管换热器进行模拟和换热器单体验证，详细换热器参数及单体测试条件见表1，理论计算结果与换热器单体测试结果见图4，图中9.52-1.4-0.105和9.52-1.5-0.105表示管径9.52 mm、片距1.4 mm和1.5 mm、翅片厚度0.105 mm。换热器单体测试中，空气侧换热能力均达到管内侧97%以上。

从理论计算结果和换热器单体测试结果来看，1.4 mm和1.5 mm片距理论计算值分别高单体测试值0.2%和0.66%，均小于1%；1.4 mm片距单体测试能力值较1.5 mm片距高4.62%，1.4 mm片距理论计算值较1.5 mm片距高4.13%，二者各自的变化趋势相差0.49%。因此，理论计算值与实验测试值吻合较高，所建模型可以较好预测换热器性能。

表1 换热器参数及单体测试条件

图4 换热器换热能力理论计算与实验测试值对比

2 翅片厚度对两排不同管径换热器性能影响的数值研究

2.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件，分别对传统规格两排外径9.52 mm铜管、外径7 mm铜管套宽片、外径5 mm铜管进行仿真研究，详细参数见表2。

表2 换热器详细参数

2.2 计算结果分析

3种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm厚度翅片换热量提升如图5所示。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm两排外径9.52 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升2.14%、4.25%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm两排外径7 mm铜管套宽片换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.99%、3.66%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm两排传统外径5 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.29%、2.47%。因此，管径越大，翅片厚度对换热性能影响越大。

图5 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

3 翅片厚度对两排不同片宽的换热器性能影响的数值研究

3.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件下，分别对两排外径7 mm铜管套用不同的片宽进行仿真研究，详细参数见表3。

3.2 计算结果分析

5种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片厚度换热量提升如图6所示。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片宽22 mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.99%、3.66%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片宽20 mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.79%、3.43%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片宽18 mm换热器的单位面积换热量比0.095mm翅片厚度分别提升1.64%、3.02%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片宽13.4mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.49%、2.81%。因此，对于外径两排7 mm铜管换热器，翅片宽度越宽，翅片厚度对换热性能影响越大。

表3 换热器详细参数

图6 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

4 翅片厚度对不同开缝形式换热器性能影响的数值研究

4.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件下，分别对两排外径7 mm铜管开缝形式分别为百叶窗和平片进行仿真研究，详细参数见表4。

区块链身份认证阶段使用了区块链的加密方法和结构特征。一个区块中既存有自身的哈希值，也存有前一个区块的哈希值的特征，保证了区块的不可篡改。一旦某一个区块中的数据被篡改或者某一个区块被恶意替换，则会立刻被区块网络所获知。因此，本阶段借助区块的特征对身份进行认证是安全的。

表4 换热器详细参数

4.2 计算结果分析

两种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片厚度换热量提升如图7所示。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1、0.105 mm百叶窗翅片换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.74%、3.33%；翅片厚度为0.1、0.105 mm平片翅片换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.5%、2.79%。因此，对于两排外径7 mm铜管换热器，开缝翅片的翅片厚度对换热性能影响比平片较大。

图7 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

5 翅片厚度对不同片距换热器性能影响的数值研究

5.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件下，分别对两排外径7 mm铜管套宽片进行仿真研究，详细参数见表5。

表5 换热器详细参数

5.2 计算结果分析

3种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片厚度换热量提升如图8所示。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片距为1.4 mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.38%、2.57%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片距为1.3mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.27%、2.5%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm片距为1.2 mm换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.34%、2.38%。因此，对于外径7 mm铜管翅片，片距越大，翅片厚度对换热性能越大。

图8 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

6 翅片厚度对不同排数换热器性能影响的数值研究

6.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件下，分别对常规外径7 mm铜管换热器两排和三排进行仿真研究，详细参数见表6。

表6 换热器详细参数

6.2 计算结果分析

两种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片厚度换热量提升如图9所示。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm两排外径7 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.43%、2.75%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm三排外径7 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.32%、2.5%。因此，翅片厚度对应不同换热器排数的换热性能基本均无影响。

图9 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

7 翅片厚度对不同管径和管间距换热器性能影响的数值研究

7.1 计算条件

在入口风速为1.25 m/s条件下，分别对常规两排外径5 mm铜管换热器和小管间距换热器进行仿真研究，详细参数见表7。

表7 换热器详细参数

7.2 计算结果分析

两种不同换热器空气侧不同翅片厚度单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片厚度换热量提升如图10所示，图中常规换热器简称5-19.5-11.6-1.2，小管距换热器简称5-14-12-1.2。

从图中可以看出，在相同风速条件下，翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm两排常规外径5 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升1.29%、2.47%；翅片厚度为0.1 mm、0.105 mm新型外径5 mm铜管换热器的单位面积换热量比0.095 mm翅片厚度分别提升0.97%、1.76%。因此，对于小管径小管间距换热器，翅片厚度对换热性能的影响小于常规小管径换热器。

图10 不同翅片厚度下空气侧单位面积换热量及相对于0.095 mm翅片性能的变化率

8 结论

本文通过对翅片式换热器不同管径、不同中心距、不同片宽、不同片距、开缝翅片、不同排数、小管径和小管间距对应不同翅片厚度进行数值研究。数值研究相关结论如下：

1）换热器管径、片宽、片距越大，翅片厚度对换热性能影响越大；

2）开缝翅片与平片相比，翅片厚度对换热性能影响较大；翅片厚度对应不同排数的换热性能基本无影响；

3）小管径小管间距换热器的翅片厚度对换热性能影响较小。

对于室外机换热器（主要规格是外径9.52 mm铜管、外径7 mm铜管套宽片），考虑到空调使用过程积灰对性能衰减影响，建议采用0.105 mm翅片厚度；对于小管径小管间距换热器，综合考虑成本和换热性能，建议采用0.095 mm翅片厚度。

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Analysis of Influence of Fin Thickness on Performance of Fin-and-tube Heat Exchanger

ZHAO Fufeng*
(GD Midea Refrigeration Equipment Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528311, China)

The investigations of the impact of fin thickness on the heat transfer performance of fin-and-tube heat exchangers with different structures are performed. The numerical simulation results show that, the heat transfer performance of fin-and-tube heat exchanger with larger tube diameter, fin width and fin pitch is more sensitive to fin thickness; the fin thickness of slit fin has larger impact on heat transfer performance than that of plain fin; the impacts of fin thickness on heat transfer performance of the heat exchanger with different row numbers are negligible; the impact of fin thickness on the performance of the heat exchanger with small longitudinal tube pitch and small diameter tube is very small.

Fin-and-tube heat exchanger; Numerical simulation; Heat transfer performance; Fin thickness

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.206

*赵夫峰（1980-），男，硕士，研究方向：空调制冷、强化换热及新型换热器研究。联系地址：广东省佛山市顺德区北滘镇美的制冷研究，邮编：528311。联系电话：18988683457。E-mail：zhaoff@midea.com.cn。