1、翅片分類及其特點簡介14121330 彭啟0.引言翅片是基本的傳熱元件，其作用是擴大換熱面積，提高熱傳遞的效率。翅片可以看成是隔板的延伸和擴展；其次，翅片的不同形式使空氣在流道內形成了強烈的擾流，并使流動邊界層和熱邊界層斷裂、重組，從而強化換熱；最后，翅片還可以提高散熱器整體強度，有效擴大其應用范圍。常用的翅片結構形式有平直翅片、百葉窗翅片、鋸齒翅片、多孔翅片和波紋翅片1。圖1 典型翅片結構形式許多學者對翅片作了深入廣泛的研究，本文利用翅片應用的環(huán)境，按照管內與管外；液體之間換熱、液體與氣體之間換熱、氣體與氣體之間換熱等方面對翅片進行分類，并詳細闡述各種翅片的特點。1.管內與管外翅片的結構形式

2、與特點在換熱器及許多換熱設備中，傳熱壁面兩側流體的對流換熱系數的大小往往很不均衡，因此需要在傳熱壁面對流換熱系數小的那一側加裝翅片。翅片管換熱器所用翅片管有內翅片管和外翅片管兩種，其中以外翅片管應用較為普遍。外翅片管一般是用機械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片。翅片管的型式有螺旋翅片管、套裝翅片管、滾軋式翅片管、板翅式翅片管2。其中螺旋形翅片管廣泛應用于管內為液體或氣液兩相工質而管外為氣體的場合，具有強化管外氣流擾動、擴大換熱面積的作用，從而增強傳熱，節(jié)約能源。同時由于其結構緊湊，使金屬耗量減少，因此在電場鍋爐中采用螺旋管束翅片管省煤器可大大節(jié)省運行費用，在國內外得

3、到了迅速的推廣應用3。為改進螺旋形翅片管易積灰且不易清理的缺點，近年來提出了H型鰭片管。H型鰭片管，亦稱H型肋片管，是把兩片中間有圓弧的鋼片對稱地與光管焊接在一起形成鰭片(肋片或蝶片)，正面形狀頗像字母“H”。由于其鰭片表面特殊的溝槽結構，去除了部分在鰭片表面進口和尾部分離區(qū)中的換熱面積，降低了進口和尾部分離區(qū)傳熱惡化對整個鰭片傳熱的影響，從而提高了鰭片的平均對流換熱系數和鰭片效率，達到強化傳熱的目的，并避免了螺旋鰭片管束常見的因結構設計不合理導致的鰭片燒毀問題4。對于波紋內翅片管中對流換熱與阻力特性的實驗研究發(fā)現(xiàn)，翅片管的綜合性能一般都強于光管，不同的管徑及其翅片形式對換熱強化影響很大，因此

4、應根據管徑大小合理選擇翅片管結構5。2.液體之間換熱翅片的結構形式與特點當管內管外都是液體的受迫對流時，如果換熱壁面兩側的換熱系數都很大，則沒有必要采用翅片管。如水/水換熱器，用熱水加熱冷水時，兩側換熱系數都足夠高，沒有必要采用翅片管，但為了進一步增強傳熱，可采用螺紋管或波紋管代替光管；發(fā)電廠冷凝器，管外是水蒸汽的凝結，管內工質是水，兩側的換熱系數都很高，一般情況下，無需采用翅片管。3.液體與氣體之間換熱翅片的結構形式與特點當管外是氣體的受迫對流，管內是液體工質的受迫對流時，管外的換熱系數就較管內的小得多。因此，管外的傳熱熱阻便成為影響其總傳熱量的主要熱阻(亦稱控制熱阻)。在這種情況下，管外空

5、間傳熱的增強通常采用擴展表面即肋化表面來實現(xiàn)。研究證明，當2/a5時，將傳熱面設計成肋化表面可以起到強化傳熱的效果。而當管內是氣體的受迫對流，管外是液體工質的受迫對流時，管內的換熱系數就較管外小得多。因此，管內的傳熱熱阻便成為影響其總傳熱量的主要熱阻。在這種情況下，就需要在管內增加擴展表面即肋化或者加裝擾流件使湍流強度增加從而使氣體側的傳熱性能增強。肋化表面不僅能起到增加參與對流換熱的總有效面積、減小該側傳熱熱阻的作用，而且可使肋側的壁面溫度更加接近于同側流體的溫度。采用擴展受熱面是強化傳熱的一種有效途徑，擴展表面的應用是縮小換熱器體積、減輕換熱器重量、提高換熱器效率的重要措施。正因如此，擴展

6、傳熱面的研究和設計日益得到廣泛得工業(yè)應用。采用管內、管外擴展表面的對流受熱面可以增加傳熱量，節(jié)省金屬消耗，并使通風阻力和工質流動阻力有所降低，己經成為鍋爐及換熱器對流受熱面的發(fā)展方向，得到了愈來愈廣泛的應用。擴展表面的型式多種多樣，在對流受熱面中經常采用的有圓形、方形和螺旋形翅片管，帶縱向肋片的鰭片管，以及用縱向肋片管組成的膜式對流受熱面等。由于各種擴展表面所增加的受熱面積不同，其對流體的擾動程度也不同，因此它們對傳熱強化的效果也不相同。人們在進行強化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強化換熱的方法，主要有以下幾種：一是增強空氣側的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達到強化換熱的目的，主要

7、采用將翅片沖壓成波紋形，由此產生了波紋形翅片類型。二是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應，達到強化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等6。由于平翅片換熱器在結構和制造上的簡單方便、運用上的耐久性及其較好的適用性，到目前為止，制冷工程中大量使用的換熱器（如氨冷風機蒸發(fā)器，表面式空氣冷卻器等）仍廣泛采用矩形平肋片作為擴展表面。矩形平肋片具有結構簡單緊湊、利于除霜、容易制造等優(yōu)點，同時由于其僅僅依賴于增大傳熱面積來強化傳熱導致傳熱效果較差，特別是在管內

8、流體相變換熱，管外空氣受迫流動換熱的熱交換器中，空氣側盡管加了肋片，其熱阻仍然是整個傳熱過程中的主要熱阻7。由于波紋形翅片可以加大空氣流道的長度，并且能夠對氣流造成充分的混合，所以也被空調制冷廣泛采用。波紋翅片可以改變氣流的來流方向，大大增加了空氣換熱面積，增強了流體擾動，由于漩渦的形成與分離，減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)展，使其換熱特性得到有效強化，同時也帶來了較大的阻力損失，但是換熱增加的幅度要大于阻力增加的幅度。在濕工況下，條縫翅片的阻力增加較多，系統(tǒng)風量會減少，此時，可考慮采用波紋形翅片換熱器，且翅片間距不宜太小8。條縫形翅片具有高效的換熱性能，流體通過條縫形翅片時，渦旋首先在下游出

9、現(xiàn)，隨著雷諾數的增加，渦旋出現(xiàn)點向上游前移。當翅片間距減小時，在較小的雷諾數下，渦旋就開始出現(xiàn)。這一現(xiàn)象說明，在小的翅片間距下，由于渦旋的產生，換熱系數被增強。對于連續(xù)型波紋翅片, 開縫有利于消除橫向渦, 并使流體混合得更加充分，從而提高翅片的流動和換熱性能；在開縫翅片的拐角和縫隙處，局部換熱系數變化劇烈；換熱系數的極大值出現(xiàn)在拐角上游或者翅片的前緣，而極小值則出現(xiàn)在拐角下游或者翅片的后緣9。在干工況下，盡量采用換熱系數大的翅片形式，如條縫翅片，但由于條縫翅片的阻力較大，因此，在需要相同換熱量時，盡量選用迎風面積較大的，而不是排數較大的，以充分利用增強型翅片的優(yōu)點，而不增加它的風機功率。百葉窗

10、形翅片是一種換熱系數較大的翅片形式，當翅片換熱器需要在干、濕工況下交替運行時，可在翅片表面添加親水性鍍膜，它對換熱性能影響極小，但可極大地降低濕工況下空氣流動阻力，對百葉翅片的效果更佳。在此情況下，可盡量采用百葉窗形翅片。4.氣體之間換熱翅片的結構形式與特點當管內管外都是氣體的受迫對流時，如果管子兩側的換熱系數都很小，為了強化傳熱，應在兩側同時加裝翅片。若結構上有困難，則兩側可都不加翅片。在這種情況下，若只在一邊加翅片，對傳熱量的增加沒有明顯的效果。例如傳統(tǒng)的管式空氣預熱器，管內是空氣的受迫對流，管外是煙氣的受迫對流。屬于氣體之間的對流換熱，兩側的換熱系數都很低，管內加翅片又很困難，可以使用光

11、管；熱管式空氣預熱器中，雖然仍是煙氣加熱空氣，但因煙氣和空氣都是在管外流動，故煙氣側和空氣側都可方便地采用翅片管，使傳熱量大大增加。5.翅片的影響參數翅片高度：增加翅片高度，將增加外表面積，但該參數受到了以下因素的限制。翅片高度影響質量流量這一基本參數，該參數影響傳熱和壓力降；整體型翅片的制造限制要比對鋸齒型翅片管的限制得多；翅片效率下降，同樣，整體型翅片要比鋸齒型翅片下降嚴重；對于翅片高度小于12 mm 的翅片，推薦使用整體型螺旋翅片。如保持其它參數不變，僅增加翅片高度，則換熱器成本首先下降，然后不變，最后又開始增加，這是由于換熱面積的增加量被較大的管間距效應、較低的氣體流速、較低的翅片效率

12、和較低的流體滲透率所抵消的緣故。翅片厚度：較小的翅片厚度可以帶來較高的翅片密度，但是同時也降低了翅片效率，降低了結構剛度。最小翅片厚度通常為0.9 mm，如用以處理腐蝕性/潤滑流體或高溫流體時，需使用厚度更大的翅片，厚度可達4.2 mm，而對于小直徑情形，將受到一些限制。最常用的翅片厚度為1.2 mm10。翅片密度(間隔)：為了獲得單位管長的最大外表面積，需使用最高的允許翅片密度，但是過高翅片密度帶來壓降過大，氣體不完全滲透，污垢加重等問題。參考文獻1 徐振元. 工程車輛波紋翅片散熱器特性分析與應用研究D.吉林大學,2012.2 蔣翔, 李曉欣, 朱冬生. 幾種翅片管換熱器的應用研究J. 化工

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