锯齿形和波纹形板翅式换热器研究现状

来振，郭朋彦，张瑞珠，杨奥雷

锯齿形和波纹形板翅式换热器研究现状

来振，郭朋彦，张瑞珠，杨奥雷

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450045）

文章简述了板翅式换热器的组成结构以及分类，并基于国内外学者对锯齿形和波纹形板翅式换热器的研究，讨论了两种不同类型翅片的换热器的特点，按照翅片类型、结构参数以及工作参数对研究工作进行归纳。

板翅式换热器；锯齿形；波纹形；结构参数；工作参数

前言

节能减排是社会发展的永恒主题。化石能源通过燃烧的方式转化成热能、动能以及其他能量，在转化过程中，有大量的热能存在浪费的情况，可以通过换热器对多余热量进行回收工作，提高能源利用率，起到节能的作用。

板翅式换热器本身结构紧凑、轻巧，而且传热性能好，在工业余热回收领域受到了广泛的欢迎[1]。如图1所示，隔板、翅片以及封条构成了板翅式换热器结构的基本单元。

翅片是板翅式换热器的核心元件，有平直形、锯齿形和波纹形翅片三种常用类型。然而，在一些对换热性能要求比较高的环境下，锯齿形和波纹形比平直形翅片具有更好的换热性能，所以国内外学者针对锯齿形和波纹形翅片的研究比较丰富。

图1 换热单元

1 锯齿形板翅式换热器

锯齿形翅片是指相互错开一定的间隔而形成的间断式翅片，如图2所示。这种特殊的结构能周期性破坏翅片通道内流体边界层的，使速度、温度边界层一直处于发展状态；因而具有高传热系数和高压降，是一种高效能翅片。

在锯齿形翅片结构参数的研究上，董军启[2]通过风洞实验来研究翅片结构，结果表明：随着翅片间距和翅片高度的增加，翅片对流换热系数和压降均减小。赵帅帅[3]通过数值模拟的方法进行研究，结果表示：锯齿形翅片具有较强的换热能力，适用于高温热源的散热，但同时也伴随着较大的阻力损失。文键[6]利用CFD软件，对锯齿形翅片进行了性能分析以及结构优化。结果表明：翅片节距对换热影响最大，翅厚对流动阻力影响最大，而翅片间距和翅厚对应力影响最大；优化后结构的换热效率增加了10.62%，最大应力减少了7.9%。

图2 锯齿形翅片

在对工作参数的研究上，H. Bhowmik[5]对锯齿形翅片换热器研究结果表明：翅片传热因子和摩擦因子随雷诺数变化的规律基本一致；且发现普朗特数的取值范围会影响努塞尔数的计算结果。国内方面，李广甫[6]对锯齿形翅片的空气流量进行了实验研究。结果表明：换热器效率随其低压侧空气流量的增大而增大，随其高压空气流量的增大而减小。

2 波纹形板翅式换热器

波纹翅片是在平直翅片上压成一定的波纹形或者人字形，使得流体在弯曲流道中不断改变流动方向，如图3所示。效果与锯齿形板翅式换热器类似，都是通过促进流体的湍动，分离或破坏热边界层来提高其换热性能。

图3 波纹形翅片

在对波纹形翅片结构参数的研究上，Yue-Tzu Yang[7]利用数值模拟的方法对波纹翅片进行研究，并与其他文献的实验结果对比，得出了波纹板的波纹角度和雷诺数对流动特性与传热速率有明显影响的结论。Azher M[8]对波纹翅片的梯形通道进行分析，结果表明：梯形高度为2.5mm，纵距为6mm是最理想的结构参数。Naznil Singh[9]对波纹翅片的倾角的研究发现传热系数在20°倾斜角下最高。秦赟[10]针对波纹倾角和高度的研究结果表明：当波纹倾角和高度增大时，换热性能提高但是压降增大，在波纹角为45°、波纹高度为10mm时换热性能最优。

对波纹形翅片工作参数的研究主要集中在工质的雷诺数上，王丹[11]发现在低雷诺数下，波纹翅片的波纹波幅对于流体流动和传热性能的影响较大。王茜[12]的研究表明在雷诺数小于7860时，凹壁面的努塞尔数更大；雷诺数大于7860时，凸壁面努塞尔的更大。董军启[13]的数值模拟和实验结果表明，雷诺数在1000-5500的范围内，标准模式更适合预测波纹翅片的空气流动和传热。在相同的雷诺数下，波纹幅度对波纹翅片的传热和压降有明显的影响。郭瑞[14]等人利用数值模拟的方法，研究了不同雷诺数下波纹翅片的性能。结果表明：各通道的性能随雷诺数的增大均呈先下降后上升的趋势。

3 结论

板翅式换热器作为一种高效的节能装置，在工业上具有广泛的应用前景。对板翅式换热器的两种翅片类型——锯齿形和波纹形进行了相关探讨，同时也讨论了结构参数以及工作参数对两种类型的板翅式换热器性能的影响。结构参数上，翅片的高度与翅片间距对锯齿形翅片的影响比较大，而对波纹形来说，波纹倾角对其性能影响最大。工作参数上，工质的雷诺数是提高两种翅片性能的关键。目前板翅式换热器的研究方法与实际应用环境仍存在差别，主要原因在于数值分析与实验难以模拟出具体的使用情况，未来的研究也将会趋于实际化。

[1] 史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M],南京:东南大学出版社,2018,第六版.

[2] 董军启,陈江平,陈芝久.锯齿翅片的传热与阻力性能试验[J].化工学报,2007(02):281-285.

[3] 赵帅帅.错位翅片型水冷散热器流动与换热性能研究[D].重庆:重庆大学, 2016.

[4] JianWen,Ke Li,Xing Zhang,Chunlong Wang,Simin Wang,Jiyuan Tu. Optimization investigation on configuration parameters of serrated fin in plate-fin heat exchanger based on fluid structure interaction analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2018, 119.

[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).

[6] 李广甫,郭宪民,张中芳.低温空气制冷系统中板翅换热器性能实验研究[J].低温与超导,2013,41(06):72-74.

[7] Yue-Tzu Yang,Peng-Jen Chen. Numerical simulation of fluid flow and heat transfer characteristics in channel with V corrugated plates [J]. Heat and Mass Transfer,2010,46(4).

[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.

[9] Naznil Singh,Rajneel Sivan,Manuialouolaga Sotoa,Mohammed Fai -zal,M.R. Ahmed. Experimental studies on parallel wavy channel heat exchangers with varying channel inclination angles[J]. Experi -mental Thermal and Fluid Science,2016,75.

[10] 秦赟,关欣,顿喆,等.波纹板式空气预热器内流动换热过程的数值模拟[J].动力工程学报, 2015,35(03):213-218.

[11] 王丹,宫本希,王永庆,等.正弦波纹流道中流体流动和传热特性研究[J].机械设计与制造,2014(10):102-104+108.

[12] 王茜,韩怀志,李炳熙.板式换热器波纹通道的流动与传热机理[J].化工学报,2017,68(S1):71-82.

[13] Junqi Dong,Jiangping Chen,Wenfeng Zhang,Jinwei Hu. Experimen -tal and numerical investigation of thermal -hydraulic performance in wavy fin-and-flat tube heat exchangers[J]. Applied Thermal Eng -ineering,2010,30(11).

[14] 郭瑞,闫江涛.不同波纹通道综合性能的数值研究[J].电力学报, 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

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1671-7988(2020)24-242-03

来振（1996-），男，硕士，就读于华北水利水电大学机械学院，研究方向：余热回收。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.080

CLC NO.: TK172