安蒙蒙杨洪海*吴亚红张卫锋丁振芳

1东华大学环境科学与工程学院

2无锡方盛换热器股份有限公司

0 引言

板翅式换热器具有换热效率高、结构紧凑等优点[1]，随着生产规模的扩大和能源的紧缺，伴随生产技术的现代化及高科技技术的快速化发展，对板翅式换热器的性能提出越来越苛刻的要求。目前，板翅式换热器已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金、工程机械等诸多领域[2-3]，其性能的好坏主要取决于翅片的传热与阻力特性。国内对板翅式换热器传热和阻力性能的研究如：王迎新[4]等采用风洞实验，对4个厂家生产的同一型号的8个板翅式散热器，进行了传热和阻力特性的实验研究，得出生产工艺不同各厂家板翅式散热器的传热性能和阻力特性有较大的差异。张小松[5]等对水-空气板翅式换热器的传热和阻力特性进行了实验研究，拟合了空气侧对流换热系数和摩擦系数的准则关联式。张卫星[6]等对空气-水板翅式换热器的性能进行了分析，以实验为基础，给出了风-水系统下板翅式换热器的j因子和f因子的计算方法。杨志、葛政宁[7-8]等对空气-水蒸气式板翅式换热器进行研究，前者将实验结果与经验关联式进行对比，得出雷诺数由低向高过渡时，经验式计算所得性能参数存在不确定性，后者得出所研究板翅式换热器的Re适用范围。对空气-空气工质的研究相对较少，其中魏进家[9]等采用实验及数值模拟两种方法对空气-空气式板翅式换热器的流动和换热性能进行了研究，拟合了传热因子和阻力因子的准则关联式，试验和模拟结果的最大误差都在19%可接受的范围之内。并得出在层流状态下，各对数因子与对数雷诺数成线性关系，为本试验的研究提供了参考。

本文以空气为冷热介质，利用风洞试验台对某工程机械铝制板翅式散热器的传热和阻力特性进行理论分析和试验研究，分析其影响规律。

1 试验装置

该试验在风洞试验台上进行，整个试验装置由试验试件，试验系统，测量系统以及数据采集系统四个部分组成。

本次研究的板翅式换热器主要用于挖掘机、推土机等工程机械方面，对热量的要求没有大型工厂高。翅片是板翅式换热器最基本、最核心的元件，是板翅式换热器的二次传热表面，翅片的选择对强化传热效果，达到更为理想的试验效果具有重要作用。本试验流体为低温层流状态，为了得到更好的试验效果，冷空气侧选用层流状态时传热强化效果较强的波纹翅片。热空气侧选择在相同压力损失下比平直翅片传热系数高30%以上的锯齿翅片。

1.1 试验试件

试验试件是一种铝制板翅式换热器，如图1（a）。其中换热器芯体的冷空气侧为波纹型翅片，如图1（b），热空气侧为锯齿型翅片，如图 1（c），试验试件的具体型号及翅片结构参数见表1和表2。

图1 试验试件及翅片结构示意图

1.2 试验系统

风洞试验系统如图2所示，本次试验的测试件是气—气换热的中冷器，整个风洞试验装置主要分为冷空气通道和热空气通道。通过控制风机的频率，来改变冷空气侧入口流量，在冷热通道中分别对冷、热空气进出口温度，冷热空气流速，风洞两端压差和测试件两端压差，入口压力等参数进行测量。

图2 风洞试验系统

利用空调箱调节室内温度，使冷空气侧的入口温度为恒定状态并维持在20±0.2℃。流量试验室内的压力定为一个大气压。试验中冷介质为20℃的冷空气，热介质为160℃的热空气，热空气侧的流量控制在0.23±0.01 kg/s。

1.3 测量系统

1）冷空气侧入口风温用Pt100热电阻测量，出口风温使用16对铁-康铜热电偶测量，使用标准的热电偶仪进行校准标定。冷空气侧流速在测压段测量，采用毕托管测量。冷空气侧的动压采用数字微压器进行测量。

2）热空气侧入口压力与温度分别由压力传感器和温度传感器进行测量。流量由出口管道处的流量计测量，而测试件两端的压力差则由EJA530A压差传感器测定。

1.4 数据采集系统

整个试验过程中所有传感器测量信号采集是由智能数据采集模块来完成并与计算机连接，完成数据的记录和储存。系统开机以后要多运行一段时间，以确保系统的稳定性，该实验所用的数据采集系统在正式试验前已预热半小时。

2 理论分析

2.1 换热量

空气的换热量，如式（1）、（2）：

式中：m表示质量流量，kg/h；T表示温度，℃；Q表示换热量，W；Cp为空气侧定压比热，J/(kg·℃)；`、``分别表示流体的进口和出口状态；1、2下脚标分别表示冷空气和热空气。

平均换热量，如式（3）：

冷空气侧传热系数，计算采用式（4）～（5）：

式中：K为冷空气侧传热系数，W/(m2·℃)；A为传热面积，m2；△Tm为对数平均温差，℃。

2.2 传热因子和阻力因子的定义式

根据传热学理论，冷空气侧换热系数与许多因素有关，因此引入无量纲参数传热因子与阻力因子，分别用来描绘对象的传热性能和阻力。

雷诺数Re：

传热因子j∶

式中：Gc为空气侧质量流速，kg/(m2·s)；De为当量直径，m；μ 为动力粘度系数，kg/(m·s)；Pr为普朗特数；St为斯坦顿数；Cp为空气侧定压比热，J/(kg·℃)；a为空气侧对流换热系数，W/(m2·℃)；Q1为冷空气侧换热量，W；△T为空气与换热板间的温差,℃；η0为翅片壁面效率；F为换热面积，m2。

对于一般的传热计算，通常用努赛尔数作为对流换热系数的表征。但在换热器的设计及热力计算中，常使用上述的斯坦顿数来表征空气侧对流换热系数。通过传热因子的定义式，可以看出，传热因子也是一个表征对流换热系数的无量纲参数。

若空气进出口温度相差相对较小，对其物性特征影响不大，则不考虑其随着温度变化引起的热物理性质变化。因此空气在板束中流动的阻力因子f的定义式为：

式中：△P为冷空气流过换热器的压降，Pa；ρ为空气的密度，kg/m3；l为试件冷空气侧有效长度，m。

2.3 传热因子和阻力因子的经验式

对于波纹翅片来说，其结构较为复杂，计算过程也不易，容易受到波长与波幅的影响，因此至今未有实验室绘制出相应的特性曲线图。而在国外学者的研究中，得出了一些拟合公式，在简化计算中可以用作参考。Sheik和Velraj[10]等学者在数值模拟的基础上整理出来的波纹翅片传热因子与阻力因子拟合公式（100≤Re≤800时）如下：

式中：s，hf，A，Ld分别为翅片间距，翅片高度，翅片波幅，翅片波长。

3 试验结果及分析

图3为平均换热量Q（W）随入口风量G（m3/h）的变化曲线，可以直观地看出，当流量继续增大，平均换热量逐渐增加，最后趋于稳定，这是由于在换热面积一定的情况下，对某种特定的芯体来说，换热量存在极限值。

图3 平均换热量随入口风量的变化曲线

从图3、4可以看出，随入口风量的增加，总换热量增大，冷空气侧进出口温差减小，热空气侧温差增大。这是因为，随着冷空气侧入口风量的增大，单位质量的空气在换热器内停留的时间缩短，影响其换热效果。对于热空气侧，在实验过程中流量保持不变，当总换热量增大时，其进出口温差增大。

图4 冷热空气侧进出口温差随空气流量的变化曲线

此外，根据试验数据，探究冷空气侧流速对于换热器的总传热系数和通风阻力的影响，得到相应的结果如图5、6所示。

图5 总传热系数随入口风量的关系图

图6 通风阻力随入口风量的关系图

从图5、6可以看出，冷空气侧传热系数与通风阻力都是随着空气流量的增大而增大，但两者的上升趋势稍有不同。这是因为空气流量的增加，空气在翅片间扰动加强，对流换热系数增大，从而传热系数增大。同时，空气与翅片之间的摩擦力增大，会导致通风阻力增大。

拟合出的冷空气侧传热系数K（W/(m2·℃)）与入口风量G（m3/h）的试验关系式如下：

拟合出的通风阻力R（Pa）与入口风量G(m3/h)的试验关系式如下：

对试验中8种不同的空气流量工况下的数据进行筛选和处理，分别得出定义式和经验式下j因子和f因子值。

图7 j因子随雷诺数Re的变化

图8 f因子随雷诺数Re的变化

从图7、8可以看出，在整个测试工况的雷诺数范围内，翅片的传热因子与阻力因子均随着雷诺数的增加变化趋势一致，均呈指数形式下降。该试验结果与试验工况相似的杨志[7]等的结果较接近，具有可靠性。但实验结果明显高于经验关联式（传热因子最大偏差为0.40，阻力因子最大偏差达到3.58），这是由于经验关联式适用的翅片尺寸范围较广，针对具体一种翅片尺寸，不能保证其精度。为了更好地服务于产品设计及工程应用，需要在实验基础上修正经验关联式。

为此，针对本文研究的波纹型翅片，对经验关联式进行修正，得到新的拟合关联式：

4 结论

1）根据试验所得数据，分析了本次试验用板翅式换热器的平均换热量，冷空气侧传热系数，通风阻力与入口风量之间的经验关联式。研究表明，平均换热量，传热系数及通风阻力随着入口风量的增加而增加，后两者的增幅分别为0.543、1.8675次方。

2）本次试验流体处于层流状态，对其传热和阻力特性进行分析，发现随着Re的增大，换热器冷空气侧的j、f因子在逐渐减小。比较定义式和经验式下的j、f因子，其变化趋势均与理论相符，但两者计算值有所偏差，其中f因子偏差较大，并分析了造成该现象的具体原因。

3）常用的经验关联式已不再适用于本次试验用板翅式换热器，为便于该换热器的设计计算和选型，拟合出了新的j、f-Re关联式，为今后铝制板翅式换热器在工程机械领域的应用及选型提供有效参考。