湿热地区运行参数对波纹翅片管换热器性能的影响研究

王 冠，赵 蕾，李 延，郭小华

（1.西安建筑科技大学，西安 710075；2.西安君生实业有限公司，西安 710075；3.浙江普瑞泰环境设备股份有限公司，浙江台州 318000）

0 引言

室内环境过于潮湿，易使人感觉闷热，且易滋生细菌。我国南方多处于夏热冬冷或夏热冬暖气候区，全年平均相对湿度在70%～80%之间，尤其春秋季，一般温度虽不高于25 ℃，但相对湿度却会达到80%以上［1］，高于舒适性空调对相对湿度宜为40%～65%［2-3］的要求，故在南方即使过渡季节也有必要启动空调除湿功能。翅片管换热器在空调系统中发挥着重要的冷却除湿作用。国内外学者就管排数、管间距、翅片大小和间距以及入口空气温、湿度，管内水流速度、温度等对空气-水翅片管式换热器性能的影响开展了广泛研究［5-14］。如 YAO 等［4-5］分别在特定的入口空气干、湿球温度下研究了增强平直翅片四排管、三排管换热器换热能力的途径。梅奎等［6］指出波纹翅片五排管换热器在入口空气干、湿球温度分别为27 ℃和19.5 ℃时，供水温度每降低1 ℃，换热量增加约7%。任述光［7］指出平直翅片八排管换热器在入口空气湿球温度为21.5 ℃时，当入口空气干球温度由26.6 ℃升高至29.6 ℃，则其出口空气温度会升高1.5 ℃；当水流量由0.2 kg/s增至0.4 kg/s，出口空气温度降低1.4 ℃。张青等［8-9］在入口空气干、湿球温度分别为26 ℃和20.3 ℃时研究了入口水量和水温对平直翅片六排管换热器换热量和除湿量的影响。张恩泽等［10］指出波纹翅片六排管换热器在入口气温约为35 ℃时，翅片间距取3.26～3.33 mm换热器性能较好。综合考虑除湿工况下颗粒沉积及长期运行，波纹翅片管换热器性能优于平板型及百叶窗型翅片管换热器［11-17］。

鉴于以上研究所选择的运行、结构参数范围较窄，尚未揭示出换热器在不同热湿环境中应用时的性能差异，不足以指导空调系统设计时的换热器结构选型和运行优化。且随着户式中央空调系统的发展，更加广泛深入的研究亟待开展。因此，本文建立了某波纹翅片九排管式水-空气换热器的数学模型，并试验验证仿真结果，以杭州和广州地区6月份平均气象参数为代表，仿真研究了不同运行条件下的换热、除湿性能，以便为不同区域的设备选型和运行优化提供参考依据。

1 模型建立

1.1 物理问题

以如图1所示的九排铜管、波纹铝翅片逆流式水-空气换热器为研究对象，其管外径为9.52 mm，管壁厚0.35 mm，管长为690 mm，纵、横向管间距分别为25，21.65 mm，翅片间距为2.8 mm，翅片厚度为0.115 mm，管束成正三角形排列。

图1 波纹翅片管换热器的结构示意Fig.1 Schematic structural diagram of wavy finned-tube heat exchanger

1.2 数学模型

1.2.1 水侧模型

忽略管壁热阻，视管内、外壁面温度相等，且各支路水量分配均匀。管内水流与壁面间的对流换热量可用下式计算：

式中 Qw——对流换热量，W；

Ai——管内表面积，m2；

twall——壁面温度，℃；

tw1，tw2——进、出口水温，℃；

αw——管内水侧换热系数，W/（m2·℃）。

αw采用 Gnielinski方程［18］计算：

式中 f ——摩擦因子，f =（0.79lnRew-1.64）-2；

Rew——水侧雷诺数，Rew= ρwvwDi/μw；

ρw——水的密度，kg/m3；

vw——水流速度，m/s；

Di——管内径，mm；

μw——水的黏性系数，Pa·s。

依能量守恒，水侧换热量亦可用下式计算：

式中 W ——冷水的质量流量，kg/s；

cwm——水的平均质量比热容，kJ/（kg·℃）。

1.2.2 空气侧模型

只考虑沿空气流动方向的温度变化，空气侧换热量Qa可用下式计算：

式中 αa——空气侧换热系数，W/（m2·℃）；

Ao—— 换热器外表面积，其为管外表面积与翅片表面积之和，m2；

t1，t2——进、出口空气的干球温度，℃。

采用 j因子关联式［19］计算αa：

式中 Gp——空气体积流量，m3/s；

cp——空气比热，kJ/（kg·℃）。

Pr——普朗特数，Pr=0.703。

对于干工况，j因子关联式［20］如下：

式中 Dc——翅片根部管的直径，mm，Dc=Do+2δf；

Do——管外径，mm；

δf——翅片厚度，mm；

P1，Pt——纵、横向管间距，mm；

Fp——翅片间距，mm；

N ——换热器纵向管排数；

Dh——水力直径，mm，Dh= 4AcL/Ao；

AcL——最小流通面积，m2；

θ ——翅片角度，°；

ReDc—— 基于翅片根部管直径的雷诺数，ReDc= ρavmaxDc/μa；

ρa——空气的密度，kg/m3；

vmax——最小空气流通单元的风速，m/s；

μa——空气的黏性系数，Pa·s。

对于湿工况，j因子关联式［21］为：

式中 At——换热器总表面积，m2，At=Ai+Ao；

Ai——换热器内表面换热面积，m2；

Ap，o——换热管外表面积，m2。

根据能量守恒，空气侧换热量亦可由下式计算：

式中 mα——空气的质量流量，kg/s；

h1，h2——进、出口空气的焓值，kJ/kg。

2 试验测试及模型验证

在焓差实验室内测试空气-水波纹翅片管换热器的性能，其在额定工况（水流速度1 m/s，风速2 m/s，进口水温7 ℃）下换热量为12 kW。试验系统由空气系统、水路循环系统和数据采集系统组成，如图2所示。室内空气被变速风机吸入，经设置在换热器前的均流段后均匀穿过受试的换热器管外翅片，与管内水泵驱动下的水流换热。之后水经冷却塔冷却后回收至水箱中。所用传感器和仪表性能见表1。为了减少向周围环境的散热损失，风洞表面覆盖有40 mm厚的泡沫绝缘材料。

图2 试验系统Fig.2 Experimental system

表1 测试仪表量程及精度Tab.1 Range and precision of the testing instruments

保持入口空气温度和相对湿度分别为22 ℃和88%（含湿量为14.6 g/kg），按正交试验设计方法对波纹翅片管式换热器进口水温ta为11，13，15 ℃，水流速度 vw为 1.2，1.4，1.6 m/s，空气流速 va为1.0，1.5，2 m/s确定9种工况（见表2），实测出口空气的干、湿球温度以及出口水温，计算得出其换热量和除湿量等。根据误差传布原理，空气侧换热量的最大误差为9.5%；除湿量的最大误差为7.5%。

表2 测试工况及换热量和除湿量的极差分析Tab.2 Test conditions and range analysis of heat exchange and dehumidification capacity

从表可见，以换热量为评价指标，风速影响最大，进口水温次之，而水流速度影响最小；以除湿量为评价指标，进口水温影响最大，风速次之，而水流速度影响最小。

沿空气流向按管排数将换热器划分为9个控制体，利用所建数学模型模拟上述各工况下波纹翅片管式换热器的运行状况，计算流程如图3所示。9种工况下的仿真与实测结果对比如图4所示。可见，换热量、除湿量、空气出口温度以及出口水温的模拟值与实测值相吻合，相对误差在可接受的范围之内，表明本文所建模型用于仿真模拟是准确合理的。

图3 计算流程Fig.3 Program box

图4 试验结果与模拟结果对比Fig.4 Comparison of test results and simulation results

3 运行参数对换热器性能影响的仿真研究

杭州和广州分属夏热冬冷和夏热冬暖地区，全年平均相对湿度均高于70%。分别以六月份杭州和广州的平均气温24.8，28.2 ℃，平均相对湿度81.7%和83%为代表气象参数，仿真研究换热器性能。

3.1 换热器性能随水流速度的变化规律

入口水温分别设为7，9，11 ℃，入口风速分别为 1.8，2.0，2.2 m/s（相当于风量分别为 1 006，1 118，1 230 m3/h），水流速度在 0.3～1.2 m/s之间，仿真结果如图5所示。可见，相同的入口水温、水流速度和风速时，换热器在广州应用时的换热量及除湿量均明显高于在杭州时。

3.1.1 进口水温一定，不同入口风速

由图5（a）可见：进口水温一定时，两地的换热量及除湿量均随水流速度增大而逐渐增加，但变化幅度均趋于平缓；当管内水流速度也一定时，入口风速越大，换热量和除湿量也越大。

图5 在广州和杭州两地换热量及除湿量随水流速度的变化曲线Fig.5 Curves of heat exchange and dehumidification capacity as a function of water flow speed in Guangzhou and Hangzhou

入口水温为7 ℃，水流速度1 m/s时，若风速为1.8 m/s，则在杭州应用时换热量及除湿量分别为10.04 kW和8.43 kg/h，而在广州则分别为12.67 kW和11.49 kg/h，换热量和除湿量分别提高了26.2%，36.3%。这是由于广州和杭州的空气露点温度分别为25.1，21.43 ℃，在广州驱动传热的温差和驱动除湿的水蒸气分压力差更大，换热和除湿更充分的缘故。若风速分别为2.0和2.2 m/s时，则在广州的换热量和除湿量分别比在杭州应用提高了25.9%，36.1%以及25.6%，35.8%。可见，进口水温和水流速度一定时，提高风速几乎不影响换热器在广州比在杭州应用的性能提高幅度。

进口水温为7 ℃时，为保证换热量在9～11 kW（4P空调），在广州，水流速度取0.3～0.4 m/s即可；而在杭州，若风速为1.8 m/s或2.2 m/s，则水流速度则应分别处于0.5～1.2 m/s或0.35～0.8 m/s间。在广州，若水速高于0.5 m/s，则换热量会随风速和水速变化而达到11～14 kW。

3.1.2 入口风速一定，不同进口水温

由图5（b）可见：入口风速一定，在两地换热量及除湿量随水流速度增大而逐渐增加，但变化幅度均逐渐平缓；当水流速度也一定时，入口水温越低，换热量和除湿量也越大。在杭州和广州分别采用7，11 ℃的入口水温时，换热量相当，但在广州的除湿量还是大于在杭州应用的情形。

水流速度为1m/s，风速为2 m/s时，若进口水温为7 ℃，则在杭州应用时的换热量及除湿量分别为10.75 kW和9.03 kg/h，在广州则分别为13.54 kW和12.29 kg/h，换热量和除湿量分别提高了25.9%和36.1%；而若进口水温为9 ℃或11 ℃，则在广州的换热量和除湿量分别比在杭州提高了29.1%，40.3%或33.3%，47.0%。可见，在广州比在杭州应用时，换热量和除湿量的提高幅度会随进口水温升高而近似线性增大。

3.2 换热器性能随风速的变化规律

入口水温分别设为7，9和11 ℃，水流速度分别为 0.6，0.8 和 1.0 m/s，入口风速在 1.1～2.2 m/s之间，仿真结果如图6所示。可见，入口水温和水流速度一定，换热量及除湿量随着风速的提高近似线性增加。

图6 广州和杭州两地换热量及除湿量随风速的变化曲线Fig.6 Curves of heat exchange and dehumidification capacity as a function of wind speed in Guangzhou and Hangzhou

3.2.1 水流速度一定，不同进口水温

由图6（a）可见：进口水温一定时，两地换热量及除湿量随风速的增大而逐渐增加；当入口风速也一定时，进口水温越低，则换热量和除湿量也越大。

水流速度为1 m/s和风速为2.2 m/s时，当进口水温为7 ℃，在杭州应用时的换热量及除湿量分别为11.43 kW和9.61 kg/h，在广州则分别为14.36 kW和13.04 kg/h，换热量和除湿量分别提高了25.6%和35.7%；进口水温越高，换热量和除湿量均减小，但在广州比在杭州应用时的换热量和除湿量的提高幅度会线性增大。

3.2.2 进口水温一定，不同水流速度

由图6（b）可见：进口水温一定时，两地换热量及除湿量随水流速度增大近似呈线性增加，且水流速度越高，随风量而变化的速度越快；当风速也一定时，水流速度越大，换热量和除湿量也越大。

进口水温为7 ℃和风速为2.2 m/s时，若水流速度为0.6 m/s，杭州的换热量及除湿量分别为10.54 kW和8.82 kg/h，而在广州则分别为13.18 kW和11.99 kg/h，换热量和除湿量分别提高了25.0%和35.9%；水流速度越高，换热量和除湿量也越大，但水流速度提高几乎不影响在广州比在杭州应用时的换热量和除湿量的增大幅度。

可见，当进口水温为7 ℃，为保证换热量在9～11 kW间，水流速度为0.6 m/s时，在杭州风速应取1.7～2.3 m/s；而在广州则取1.2～1.6 m/s即可。若水流速度为1.0 m/s，则在杭州和广州，风速应分别在1.6～2.0m/s 以及1.1～1.4 m/s的范围内取值。

3.3 换热器性能随进口水温的变化规律

水流速度分别设为 0.6，0.8，1.0 m/s，入口风速分别为 1.8，2.0，2.2 m/s，入口水温在 7～14 ℃之间，仿真结果如图7所示。可见，在入口风速和水流速度一定时，换热量及除湿量随进口水温提高线性减小。

图7 换热量及除湿量随进口水温的变化情况Fig.7 Change of heat exchange and dehumidification capacity with inlet water temperature

3.3.1 入口风速一定，不同水流速度

由图7（a）可见：入口风速一定，两地换热量及除湿量随进口水温降低而逐渐增大；当进口水温也一定时，水流速度越大，则换热量和除湿量也越大。

进口水温为7 ℃和风速为2 m/s时，当水流速度为0.6 m/s，在杭州的换热量及除湿量分别为9.99 kW和8.37 kg/h，在广州则分别为12.53 kW和11.40 kg/h，换热量和除湿量分别提高了25.4%和36.2%；但水流速度的增大几乎不影响其在广州比在杭州应用时的换热量和除湿量的增加幅度。可见，当入口风速为2 m/s，为保证换热量在9～11 kW，水流速度为0.6 m/s时，在杭州进口水温应取7～8 ℃；而在广州则应取10～12 ℃。若水流速度为1.0 m/s，在杭州和广州进口水温则分别应在 7～10 ℃以及 11～14 ℃的范围内取值。

3.3.2 水流速度一定，不同入口风速

由图7（b）可见：水流速度一定时，两地换热量及除湿量随进口水温降低而逐渐增加；当进口水温也一定时，入口风速越大，则换热量和除湿量也越大。

水流速度为1 m/s和进口水温为9 ℃时，当风速为1.8 m/s，在杭州的换热量及除湿量分别为8.90 kW和7.47 kg/h，在广州则分别为11.51 kW和10.52 kg/h，换热量和除湿量分别提高了29.3%和40.8%。且风速增大几乎不影响在广州比在杭州应用时换热量和除湿量的增加幅度。

4 结论

（1）在一定的室外气象参数条件下，风速对换热量的影响最大，进口水温次之，而水流速度的影响最小；进口水温对除湿量的影响最大，风速次之，而水流速度的影响最小。

（2）提高水流速度、降低进口水温或增大入口风速均有助于提高换热量及除湿量。在广州比在杭州应用时的换热量和除湿量的增幅会随着进口水温的升高而线性增大，但风速和水流速度几乎不影响其增加幅度。

（3）为保证换热器在杭州与广州地区应用时换热量在9～11 kW内，当水流速度、风速和进口水温中任意两个保持在额定值，另一个参数则应该在适当的范围内变化，比如，水流速度应分别在0.4～1.2 m/s 和 0.3～0.4 m/s的范围内取值；风速应分别在 1.6 ～2.0 m/s 和 1.1～1.4 m/s范围内取值；水温应分别在 7～9 ℃ 和 11～14 ℃范围内取值。