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提高換熱器換熱性能的途徑傳熱方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主題方向是提高傳熱系數K。對強制循環空氣冷卻器,采取有效措施降低空氣側的傳熱熱阻或在制冷劑側采用選擇供液方式,控制供液量,或采用傳熱管可明顯提高傳熱系數。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數,但流動阻力也相應增大,因此通過增大流體的流速以增強傳熱系數K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現,但增加傳熱面積不應靠加大整體設備的尺寸來實現,而應從設備的自身結構來考慮。
增加傳熱面積總體上分為兩種途徑:管外表面的擴大和管內表面積的擴大。
目前管外表面積的增加主要是在管外加翅片或擴展表面即肋化表面,它是通過附加肋片擴大傳熱面積來減少對流換熱熱阻,從而達到強化傳熱的目的。
可通過下列途徑來增大設備單位體積的有效傳熱面積:
①傳遞面采用擴展面,如在對流傳熱系數較小一側的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘等;
②增大原有熱傳遞表面,如將表面處理成憎水性覆蓋層、多孔性覆蓋層、雙波紋狀管等
③在換熱器中管子的強化方面主要是異型管的開發,從而達到增加傳熱面積的目的。異型管的種類包括螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
管式爐對流室爐管內介質的傳熱系數一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數。釘頭管和翅片管就是用來強化管外對流傳熱的。為了避免過多積灰而影響傳熱效果，除必燒油和油氣混燒時應設置吹灰器外，還應按照表-1的使用范圍正確選用釘頭管或翅片管。必須說明的是對流室煙氣入口處的2-3排爐管，既接受輻射室的輻射傳熱，又吸收高溫煙氣的對流傳熱，爐管表面熱強度很高，有時甚至超過輻射管的熱強度。這兩三排爐管通稱為遮蔽管，只能采用光管，而不得采用釘頭管和翅片管。
表1 釘頭管和翅片管使用范圍
表2 釘頭和翅片材料高使用溫度
釘頭管和翅片管制造完畢后應進行強度水壓試驗，由于釘頭和翅片與爐管焊接時可能損傷爐管外壁，因此計算釘頭管和翅片管的水壓試驗壓力時，管壁厚度應減去一個減薄的厚度δ：埋弧火花焊釘頭管δ=3mm；高頻焊翅片管δ=1.5mm。
優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化設計。優化設計主要分為如下5 個步驟：
步驟1：確定優翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優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；邊界條件為空調蒸發器工況。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。空氣上表面和下表面定義為周期性表面。根據CFD 計算結果，可以得到具有高翅片效率的翅片優高寬比Pt/Pl。
步驟2：優化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發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式來確定翅片尺寸。
設計中，設定的優化目標函數以及約束條件函數見式（2）~（4）。優化目標函數用來分析性價比，見式（2）。式（3）~（4）為約束條件，即：小管徑換熱器的換熱性能（UA）應等于或大于規定值；空氣側壓降應等于或者小于規定值。
步驟3：優化翅片開縫結構
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，從而確定優開縫結構。
在窗片的幾何結構參數中，開縫角度和開縫數是自變量，縫高與縫寬可根據兩個自變量確定。因此，只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數n 這兩個自變量進行優化設計。在橋片的幾何結構參數中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開縫數確定。因此，對橋片開縫翅片結構的設計，只需對開縫條數進行優化設計。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如圖2 所示。實驗中的測試工況根據房間空調器標準確定。根據實驗結果，采用多重線性回歸方法開發了小管徑換熱器性能的預測關聯式，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。設計中首先根據換熱器尺寸確定換熱器的預選結構，并根據換熱器性能及成本調整管路結構，然后計算調整后換熱器的性能，以確定下一步結構的調整方向，終確定換熱器管路結構。設計中采用基于知識的多目標優化方法，控制優化過程，得到優化結果。
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，高三個方向將換熱器分割成若干個控制體。控制體包含了制冷劑，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；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。
本文對換熱系數和壓降預測關聯式的選取如表1所示。
優化采用基于知識的優化方法（KBEM）用于優化換熱器。它包括兩個部分：改進遺傳算法（IGA）和基于知識的優化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統遺傳算法的改進版，IGA 可以得到初解并控制整個優化過程。采用基于知識的搜尋方法可以減少研究范圍，進而并可以提高優化效率。
三：設計案例
本章節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器。空調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Pt/Pl 比值為1.23，此時翅片效率高。
步驟2：優化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。根據優Pt/Pl值，可得到優翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優化翅片開縫結構
根據所確定的優翅片尺寸，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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