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翅片管束1什么是翅片管束？
由多支翅片管按一定規(guī)律排列起來而組成的換熱單元叫翅片管束。一個翅片管換熱器可以由一個或多個翅片管束組成。
2翅片管束的結構組成包括？
翅片管（多支）：傳熱的基本元件。
管箱（集箱）或管板：連接翅片管兩端的箱體，彎管或鋼板。當翅片管與箱體或管板連接以后，翅片管之間的間距也就固定了，同時，管箱使管內(nèi)的流體形成了連續(xù)的流道。
構架：使整個翅片管束得以支撐和固定。
3翅片管的排列方式？ 在一個管束中，翅片管排列方式的選取是致關重要的。有兩種排列方式：叉排和順排。
所謂叉排，是指在氣流方向管子交叉排列，而順排是指在氣流方向管子順序排列。
順排和叉排的優(yōu)缺點：
順排：流體管外繞流時，受到的擾動較小，換熱系數(shù)較低，但優(yōu)點是阻力小。
叉排：流體管外繞流時，受到的擾動較大，換熱系數(shù)較高，但缺點是阻力大。
當對阻力降沒有嚴格限制時，應叉排排列；當要求的阻力降很小時，應選取順排方案。
4管箱的結構形式
如果說管束的排列形式（順排或叉排，及管間距的選?。┲饕强紤]管外流體的換熱要求而確定的話，那么管箱的形式和結構則主要是考慮管內(nèi)流體的壓力和換熱要求。
一般應遵循下列原則：
（1）若管內(nèi)流體的壓力較高，一般選用大直徑的圓管作為管箱。
例如，在鍋爐應用上，幾乎都選用圓管作為管箱。
2）在空冷器應用上，喜歡采用方形箱體。
方形箱體的優(yōu)點是可以同時連接多排翅片管。當管內(nèi)是蒸汽的凝結時，需要有大的蒸汽空間，一個管箱與多排管子相連是必要的。
（3）當管內(nèi)流體的進出口溫度相差很大時，管箱可能會因為管排的熱膨脹不同而變形，這時，宜采用分解式管箱。
4）除了管束的排和后排，必須采用相應的管箱連接之外，其它各排好用彎管一對一連接。其優(yōu)點在于：
能提高換熱效率。理論證明，一對一連接能避免各排管流體的摻混，而流體的摻混使傳熱溫差和傳熱效率降低。
能減少流體的流動阻力。因為一對一連接保證了流動截面積不變，避免了流體不斷地膨脹和收縮。
彎管能“吸收”熱膨脹而產(chǎn)生的變形。
優(yōu)化設計方法包括兩部分：翅片結構設計和制冷劑流路設計。由于翅片尺寸決定了管間距，進而影響制冷劑流路分配，因此應首先設計翅片結構，其次設計制冷劑流路。圖1 為優(yōu)化設計流程圖。1、翅片結構設計 在翅片結構設計中，將采用CFD 方法對翅片結構進行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計主要分為如下5 個步驟：
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優(yōu)高寬比是指在相同翅片面積下，翅片效率高的翅片高寬比。翅片效率可定義為：翅片管換熱器實際的換熱量(Qactual,fin)與大可能達到的換熱量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 計算得到。CFD 幾何模型采用兩排管翅片換熱器；邊界條件為空調(diào)蒸發(fā)器工況。在實際翅片模型中，翅片與管壁耦合；在理想翅片模型中，設置翅片溫度與管壁溫度相同?？諝馍媳砻婧拖卤砻娑x為周期性表面。根據(jù)CFD 計算結果，可以得到具有高翅片效率的翅片優(yōu)高寬比Pt/Pl。
步驟2：優(yōu)化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發(fā)器表面會形成一層冷凝液膜。當析濕較為嚴重時，窗片和橋片都會被這層液膜堵塞，導致其幾何結構類似于平片。因此，在設計中采用了平片的關聯(lián)式來確定翅片尺寸。
設計中，設定的優(yōu)化目標函數(shù)以及約束條件函數(shù)見式（2）~（4）。優(yōu)化目標函數(shù)用來分析性價比，見式（2）。式（3）~（4）為約束條件，即：小管徑換熱器的換熱性能（UA）應等于或大于規(guī)定值；空氣側壓降應等于或者小于規(guī)定值。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結構
在翅片開縫結構的設計中，由于沒有適用于小管徑翅片換熱器的性能預測關聯(lián)式，因此本研究采用CFD 方法來模擬換熱器的換熱量和空氣壓降，從而確定優(yōu)開縫結構。
在窗片的幾何結構參數(shù)中，開縫角度和開縫數(shù)是自變量，縫高與縫寬可根據(jù)兩個自變量確定。因此，只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數(shù)n 這兩個自變量進行優(yōu)化設計。在橋片的幾何結構參數(shù)中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開縫數(shù)確定。因此，對橋片開縫翅片結構的設計，只需對開縫條數(shù)進行優(yōu)化設計。基于CFD 計算結果，可確定具有較高換熱量和較低空氣壓降的翅片開縫結構。
步驟4：換熱器性能測試
小管徑換熱器性能的測試系統(tǒng)如圖2 所示。實驗中的測試工況根據(jù)房間空調(diào)器標準確定。根據(jù)實驗結果，采用多重線性回歸方法開發(fā)了小管徑換熱器性能的預測關聯(lián)式，并將其應用于制冷劑流路設計的仿真程序中。
2、制冷劑流路設計
在制冷劑流路設計中，采用基于仿真的方法進行設計。圖3 為基于仿真的制冷劑流路設計方法流程圖。設計中首先根據(jù)換熱器尺寸確定換熱器的預選結構，并根據(jù)換熱器性能及成本調(diào)整管路結構，然后計算調(diào)整后換熱器的性能，以確定下一步結構的調(diào)整方向，終確定換熱器管路結構。設計中采用基于知識的多目標優(yōu)化方法，控制優(yōu)化過程，得到優(yōu)化結果。
本文采用基于圖論的三維分布式模型，預測具有不同流路換熱器的性能。Liu 建立的模型與實驗值的大偏差為±10%。在Liu 的模型中，沿長，寬，高三個方向?qū)Q熱器分割成若干個控制體?？刂企w包含了制冷劑，空氣和翅片換熱器三個部分。制冷劑與空氣的控制能量方程與動量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷劑側換熱面積；Ao 是空氣側換熱面積；Ga,max 是小流通面積處的空氣流率； fa 是空氣摩擦系數(shù)；σ 是流通積的收縮比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom 分別是從前排，后排，上列和下列翅片的傳熱量。
本文對換熱系數(shù)和壓降預測關聯(lián)式的選取如表1所示。
優(yōu)化采用基于知識的優(yōu)化方法（KBEM）用于優(yōu)化換熱器。它包括兩個部分：改進遺傳算法（IGA）和基于知識的優(yōu)化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統(tǒng)遺傳算法的改進版，IGA 可以得到初解并控制整個優(yōu)化過程。采用基于知識的搜尋方法可以減少研究范圍，進而并可以提高優(yōu)化效率。
三：設計案例
本章節(jié)將會采用前一章提出的設計方法來設計采用5 mm 管翅片管換熱器的空調(diào)器。空調(diào)器的實驗結果將與設計結果進行對比驗證。
在此案例中，室內(nèi)機換熱器采用了5 mm 管翅片換熱器。室外機換熱器采用具有更大翅片間距的7 mm 管翅片換熱器，以防止熱泵工況時結霜導致的換熱性能惡化。
1、翅片結構設計結果
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
設計Pt/Pl 時，CFD 計算的邊界條件設置如下：進口空氣溫度為300K，管壁溫度為280K。其他邊界條件同前一章。由圖4 所示的CFD 結果，可知優(yōu)Pt/Pl 比值為1.23，此時翅片效率高。
步驟2：優(yōu)化Pt和Pl
在翅片尺寸設計中，5 mm管翅片的UA應大于7 mm管翅片，5 mm管翅片換熱器的ΔP應小于7 mm管翅片換熱器。根據(jù)上述設計原則，翅片的性價比、傳熱效率和空氣壓降隨Pt的變化趨勢見圖5（a）~（c）。由結果可得：當Pt為18 mm時，w值較大，且滿足UA和ΔP的約束條件。根據(jù)優(yōu)Pt/Pl值，可得到優(yōu)翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優(yōu)化翅片開縫結構
根據(jù)所確定的優(yōu)翅片尺寸，利用CFD方法計算開3條縫的窗片和開4條縫的窗片的性能。圖6為具有不同開縫數(shù)的翅片表面空氣溫度分布圖。換熱量及空氣壓降的計算結果見表2。由計算結果可知：由于開縫數(shù)的增加導致縫高的降低，4條縫窗片具有更高的換熱量，和更低的空氣壓降。
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在翅片管和熱管設計的時候，一般翅片管側的換熱和流動是被關注的重點，甚至傳熱系數(shù)的計算和取值也主要依賴于翅片側的換熱。這容易造成一種錯覺：管內(nèi)的流動和換熱似乎是不怎么重要了，似乎在設計中可以不用考慮了。
事實上，這是不對的。我們既要考慮管內(nèi)的流動和換熱，還要保證管內(nèi)的流體具有足夠高的換熱系數(shù)和合理的流動條件。我們要從如下問題來考慮。
一、翅片管的放置形式
是立放，橫向，還是傾斜放置。如下圖所示，因為只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情況下管內(nèi)的相變過程。
二、管內(nèi)流體管程的考慮
對單相流體（如水），一般應保證管內(nèi)平均流速在1m/s左右，要通過合理的管程布置來調(diào)節(jié)管內(nèi)的流速，所謂管程是指管內(nèi)流體在換熱器中走幾個來回，管程數(shù)目越多，則每個管程“分攤”的管子數(shù)目越少，則管內(nèi)流速就越高。如上面的附圖所示，從水入口到水出口，水在管內(nèi)走了六個來回，即管程數(shù)目為6。
每一個管程對應一排翅片管。對于管內(nèi)流量特別小的場合，甚至可以做到每1支管或兩支管作為一個管程；對于管內(nèi)流量特別巨大的場合，可以選擇1排或幾排管作為一個管程。應當注意，對于管內(nèi)為相變換熱（蒸發(fā)或凝結）的場合，一般只取一個管程就可以了。
三、關于翅片管束的分組處理
關于翅片管束的分組處理，我們需要多方考慮。
分組布置的好處在于：
* 可使箱體分段加工，便于安裝和運輸；
* 可以安裝吹灰孔和吹灰器；* 便于管束的檢修和更換；
例如：若后幾排管有露點腐蝕的風險，則應將其單獨設為一組，便于拆檢和更換。
如果在煙氣的流動方向上，我們就該這樣來進行設計處理，如下圖所示：
四、小結
作為階段小結，下面提出設計的幾點經(jīng)驗，供參考：
（1）翅片管換熱器和其他型式的換熱器一樣，設計的成功與否，50%（甚至更高）取決于經(jīng)驗，而經(jīng)驗是在工程項目設計實踐中獲得的。如果參與了10項以上的工程設計，算作稍有經(jīng)驗；參與了20項以上的工程設計，可稱作比較有經(jīng)驗，而如果參與過30項以上的設計，則可認為是相當有經(jīng)驗了。
（2）成功的經(jīng)驗和不怎么成功的經(jīng)驗同等重要，若發(fā)現(xiàn)設備運行后，實測熱負荷遠遠偏離設計值，就算不怎么成功，要分析原因；若發(fā)現(xiàn)翅片管管子的積灰，腐蝕嚴重，或出現(xiàn)其他沒有預料到的情況，雖然能運行，也算不怎么成功，也應從設計上找原因；若出現(xiàn)問題，則屬于失敗的設計，因為“”具有一票否決權，更要仔細地調(diào)查分析發(fā)生的原因。
（3）為了做到設計的成功，或不出現(xiàn)大的失誤，重要的莫過于設計前的現(xiàn)場調(diào)查和取證。尤其是翅片管多作為余熱回收設備應用，是在主設備上“附加”的節(jié)能設備，所以，地掌握主設備的運行情況和現(xiàn)場的環(huán)境是至關重要的。
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