技术：管翅式换热器传热与阻力特性

1.1 入口空气温度变化对 Nu 数的影响   

管侧入口水温为 12 ℃，空气侧入口相对湿度为 50% ，入口空气流速从 0.5m/s 增加到 4.0m/s 时，入口空气温度变化对铜翅片管翅式换热器、铝翅片管翅式换热器、附带亲水层的铜翅片管翅式换热器换热特性的影响如图 5.1 、图 5.2 以及图 5.3 所示。

从图 5.1中可以发现：

（ 1 ）三种入口空气温度条件下，铜翅片管翅式换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。说明增加空气的流动速度可以提高铜翅片管翅式换热器的换热性能。

这是由于随着入口空气流速的增加，铜翅片表面的凝结水所受的重力与拖曳力的合力增大，当大于凝结水在翅片表面的附着力时，铜翅片表面产生的凝结水排离翅片表面的速率将明显加快，冷凝水流动换热能力增强，从而提高了铜翅片管翅式换热器的换热性能。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铜翅片管翅式换热器的 Nu 数随入口空气温度的升高而增加。这说明提高入口空气温度可以提高铜翅片管翅式换热器的换热性能。

这是由于入口空气温度越高，空气中的水蒸气在翅片表面析出的越快越多，即加快了凝结水排离翅片表面的速度又增加了凝结水对空气的扰动作用，因此加快了空气侧的换热效果。

从图5.2可以发现：

（ 1 ）三种入口空气温度条件下的铝翅片管翅式换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。说明增加空气的流动速度可以提高铝翅片管翅式换热器的换热性能。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铝翅片管翅式换热器的 Nu 数随入口空气温度的升高而增加。这说明提高入口空气温度可以提高铝翅片管翅式换热器的换热性能。

（ 3 ）在相同实验工况条件下，铝翅片管翅式换热器 Nu 数所呈现的规律与铜翅片管翅式换热器相同。

从图5.3中可以发现：

（ 1 ）三种入口空气温度条件下的附带亲水层的铜翅片管翅式换热器 Nu 皆随入口空气流速的增加而增加。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的 Nu 数随入口空气温度的升高而增加。这说明提高入口空气温度可以提高附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的换热性能。

（ 3 ）在相同实验工况条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器 Nu 数所呈现的规律与铜翅片和铝翅片管翅式换热器相同。

1.2 管侧入口水温变化对 Nu 数的影响   

入口空气温度 27 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速从 0.5m/s 增加到 4.0m/s 时，管侧入口水温变化对分别对铜翅片管翅式换热器、铝翅片管翅式换热器、附带亲水层的铜翅片管翅式换热器换热特性的影响如图 5.4 、图 5.5 以及图 5.6 所示。

（ 1 ）从图 5.4 中可以发现：

三种入口水温条件下的铜翅片管翅式换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。说明增加入口空气的流速可以提高铜翅片管翅式换热器的换热性能。

在相同入口空气流速条件下，铜翅片管翅式换热器的 Nu 数随管侧入口水温的升高而增加。这说明提高管侧入口水温可以提高铜翅片管翅式换热器的换热性能。

这是由于当入口水温低时，翅片表面生成的凝结水水量增多，在翅片表面下滑过程中会增加凝结水的厚度，在相同的入口空气流速条件下，其对凝结水的切向作用力随着凝结水厚度的增加而减弱，反而使凝结水对空气的扰动作用变弱，达不到破坏气流边界层的目的，从而使换热能力减弱。

（2）从图 5.5中可以发现：

三种入口水温条件下的铝翅片管翅式换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。在相同入口空气流速条件下，铝翅片管翅式换热器的 Nu 数随管侧入口水温的升高而增加。这说明提高管侧入口水温可以提高铝翅片管翅式换热器的换热性能。由此可见在相同实验工况条件下，铝翅片管翅式换热器 Nu 数所呈现的规律与铜翅片管翅式换热器相同。

（3）从图5.6中可以发现 ，三种入口水温条件下附带亲水层的铜翅片管翅式换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。在相同入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的 Nu 数随管侧入口水温的升高而增加。这说明提高管侧入口水温可以提高附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的换热性能。

1.3 不同工况下翅片材质形式对 Nu 数的影响  

（1）入口空气温度分别为 20℃、27℃和 35℃条件下翅片材质形式对 Nu 数的影响

入口空气温度为 20 ℃，管侧入口水温为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，不同翅片材质形式的管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响如图 5.7a) 所示。

从图中可以发现，三种翅片材质的换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。铜翅片、铝翅片及附带亲水层的管翅式换热器在入口空气流速 4.0m/s 时的 Nu 数与 0.5m/s 时相比， Nu 数分别增加了 2.05 、 2.17 和 2.79 倍。

由 5.7b) 可以看出，入口空气温度为 27 ℃，其他条件不变时，铜翅片、铝翅片及附带亲水层的管翅式换热器在入口空气流速 4.0m/s 时的 Nu 数与 0.5m/s 时相比， Nu 数分别增加了 1.99 、 1.30 和 2.62 倍。

由 5.7c) 可以看出，入口空气温度为 35 ℃，其他条件不变时，，铜翅片、铝翅片及附带亲水层的管翅式换热器在入口空气流速 4.0m/s 时的 Nu 数与 0.5m/s 时相比， Nu 数分别增加了 1.52 、 1.06 和 1.67 倍。

（2）入口水温变化条件下翅片材质形式对 Nu 数的影响

管侧入口水温为 12 ℃，入口空气温度为 27 ℃，入口相对湿度为 50% 时，不同翅片材质形式的管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响如图 5.8a) 所示。

从图中可以发现，三种翅片材质的换热器 Nu 数皆随入口空气流速的增加而增加。在相同相对湿度下，铜材质翅片换热器的换热性能优于铝材质翅片换热器优于附带亲水层的铜翅片换热器。

由 5.8b) 可以看出，管侧入口水温为 15 ℃，其他条件不变时，铜翅片、铝翅片及附带亲水层的管翅式换热器在入口空气流速 4.0m/s 时的 Nu 数与 0.5m/s 时相比， Nu 数分别增加了 1.20 、 1.07 和 1.71 倍。

由 5.8c) 可以看出，管侧入口水温为 18 ℃，其他条件不变时，铜翅片、铝翅片及附带亲水层的管翅式换热器在入口空气流速 4.0m/s 时的 Nu 数与 0.5m/s 时相比， Nu 数分别增加了 1.08 、 1.00 和 1.73 倍。

  1.4 入口相对湿度变化对 Nu 数的影响   

入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口空气相对湿度变化对不同翅片材质管翅式换热器换热特性的影响如图 5.9 所示。

从图中可以发现，三种翅片材质的换热器 Nu 数皆随入口相对湿度的增加而增加。

在相同入口空气流速下，增加入口空气的相对湿度可以提高换热器的传热性能，且铜材质翅片优于铝材质翅片优于附带亲水层的铜翅片。铜翅片、铝翅片及附带亲水层的铜翅片管翅式换热器入口相对湿度 80% 时的 Nu 数与 40% 时相比， Nu 数分别增加了 0.93 、 1.23 和 3.12 倍。

2.1 入口空气温度变化对 f 的影响 

管侧入口水温为 12 ℃，空气侧入口相对湿度为 50% ，入口空气流速从 0.5m/s 增加到 4.0m/s 时，入口空气温度变化对铜翅片管翅式换热器、铝翅片管翅式换热器、附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的阻力特性的影响如图 5.10 、图 5.11 、图 5.12 所示。

从图 5.10中可以发现：

（ 1 ）三种入口空气温度条件下的铜翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而降低。增加空气的流动速度可以降低铜翅片管翅式换热器的阻力损失。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铜翅片管翅式换热器的 f 随入口空气温度的升高而增加。提高入口空气温度会增加铜翅片管翅式换热的压力损失。

从图 5.11可以发现： （ 1 ）三种入口空气温度条件下的铝翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而降低。增加空气的流动速度可以降低铝翅片管翅式换热器的阻力损失。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铝翅片管翅式换热器的 f 随入口空气温度的升高而增加。提高入口空气温度会增加铝翅片管翅式换热的压力损失。

从图 5.12可以发现：

（ 1 ）三种入口空气温度条件下附带亲水层的铜翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而降低。增加空气的流动速度可以降低附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的阻力损失。

(2 在相同入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的 f 随入口空气温度的升高而增加。提高入口空气温度会增加附带亲水层的铜翅片管翅式换热的压力损失。

2.2 入口水温变化对 f 的影响  

入口空气温度 27 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速从 0.5m/s 增加到 4.0m/s 时，管侧入口水温变化对铜翅片管翅式换热器、铝翅片管翅式换热器、附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的阻力特性的影响如图 5.13 、图 5.14 、图 5.15 所示。

从图5.13中可以发现：

（ 1 ）三种入口水温条件下的铜翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而减小。增加入口空气的流速可以减小铜翅片管翅式换热器的压力损失。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铜翅片管翅式换热器的 f 随管侧入口水温的升高而减小。提高管侧入口水温可以降低铜翅片管翅式换热器的压力损失。

从图5.14中可以发现：

（ 1 ）三种入口水温条件下的铝翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而减小。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铝翅片管翅式换热器的 f 随管侧入口水温的升高而减小。提高管侧入口水温可以降低铝翅片管翅式换热器的压力损失，呈现的规律与铜翅片管翅式换热器相同。

从图5.15中可以发现：

（ 1 ）三种入口水温条件下附带亲水层的铜翅片管翅式换热器 f 皆随入口空气流速的增加而减小。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的 f 随管侧入口水温的升高而减小。这说明提高管侧入口水温可以降低附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的压力损失。

2.3 不同工况下翅片材质形式对 f 的影响  

2.3.1 入口空气温度分别为 20℃、27℃和 35℃条件下翅片材质形式对 f 的影响

管侧入口水温为 12 ℃，入口空气温度为 20 ℃，入口相对湿度为 50% 时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其阻力特性的影响如图 5.16a) 所示。

从图中可以发现：

（ 1 ）三种翅片材质的换热器 f 皆随入口空气流速的增加而降低。这是由于入口空气流速的增加，加快了凝结水排离翅片表面的速率，使翅片间的空气流道畅通，降低了空气流道的压力损失。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铝翅片圆管管翅式换热器 f ＞ 铜翅片圆管管翅式换热器 f   ＞ 附带亲水层的铜翅片圆管管翅式换热器 f 。

由 5.16b)可以看出：

入口空气温度为 27 ℃，其他条件不变时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响与 5.16a) 具有类似的结论。

由 5.16c)可以看出：

入口空气温度为 35 ℃，其他条件不变时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响与 5.16a) 和 5.16b) 也具有类似的结论。

2.3.2 管侧入口水温分别为 12℃、15℃和 18℃条件下翅片材质形式对 f 的影响

入口空气温度为 27 ℃，管侧入口水温为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其阻力特性的影响如图 5.17a) 所示。

从图中可以发现：

（ 1 ）三种翅片材质的换热器 f 皆随入口空气流速的增加而减小。

（ 2 ）在相同入口空气流速条件下，铝翅片圆管管翅式换热器 f ＞ 铜翅片圆管管翅式换热器 f ＞ 附带亲水层的铜翅片圆管管翅式换热器 f 。

由 5.17b)可以看出:

管侧入口水温为 15 ℃，其他条件不变时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响与 5.17a) 具有类似的结论。

由 5.17c)可以看出：

管侧入口水温为 18 ℃，其他条件不变时，不同翅片材质形式的圆管管翅式换热器随入口空气流速的变化对其换热特性的影响与 5.17a) 和 5.17b) 也具有类似的结论。

2.4 入口相对湿度变化对 f 的影响

入口空气温度为 27 ℃，管侧入口水温为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口空气相对湿度变化对不同翅片材质管翅式换热器阻力特性的影响如图 5.18 所示。

从图中可以发现：

（ 1 ）随着入口相对湿度的增加，三种翅片材质的管翅式换热器空气侧的阻力系数 f 逐渐增加。这是因为运行于析湿工况下的管翅式换热器表面随相对湿度增大生成了更多的凝结水，从而使空气侧压降增大。

（ 2 ）在相同入口相对湿度下，铝翅片管翅式换热器阻力系数 f   ＞ 铜翅片管翅式换热器阻力系数 f ＞ 附带亲水层的铜翅片管翅式换热器阻力系数 f 。

由于三种翅片材质的管翅式换热器的传热和压降特性各有优劣，难以通过单一的评价指标来判定某一材质形式的管翅式换热器综合性能。

为此，提出一种新的评价指标强化传热因子 JF 来判断管翅式换热器的综合传热性能。规定 JF 大于 1.0 证明第一种翅片材质形式的管翅式换热器与第二种翅片材质形式的管翅式换热器相比具有更好的综合传热性能。

3.1 入口空气流速变化对 JF 的影响

图 5.19 为入口空气温度为 27 ℃，管侧进口水温为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速变化对强化传热因子 JF 的影响。可以看出，随着入口空气流速的增加，强化传热因子 JF 的变化范围为 1.18~1.53 ，且整体呈逐渐上升趋势，说明铜翅片管翅式换热器的综合传热性能要优于铝翅片管翅式换热器。

图 5.20 为入口空气温度为 27 ℃，管侧进口水温为 12 ℃，入口相对湿度为 50% 时，入口空气流速变化对强化传热因子 JF 的影响。

铜翅片管翅式换热器的综合传热性能要优于附带亲水层的铜翅片管翅式换热器，且在 2.0m/s 时，铜翅片管翅式换热器相对于附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的综合传热性能最好。

3.2 入口相对湿度变化对 JF 的影响

图 5.21 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口相对湿度变化对强化传热因子 JF 的影响。

可以看出，随着入口相对湿度的增加，强化传热因子 JF 的变化范围为 1.14~1.45 ，且在入口相对湿度为 60% 时 JF 达到最大值。由于强化传热因子 JF 均大于 1.0 ，说明随着入口相对湿度变化，铜翅片管翅式换热器的综合传热性能均优于铝翅片管翅式换热器。

图 5.22 为入口空气温度为 27 ℃，进水温度为 12 ℃，入口空气流速为 2.0m/s 时，入口相对湿度变化对强化传热因子 JF 的影响。

可以看出，随着入口相对湿度的增加，强化传热因子 JF 的变化范围为 1.30~3.00 ，且整体呈逐渐下降趋势，说明铜翅片管翅式换热器的综合传热性能要优于附带亲水层的铜翅片管翅式换热器，且随着入口相对湿度的增加，铜翅片管翅式换热器与附带亲水层的铜翅片管翅式换热器的综合传热性能更加接近。