1.前言
在空調(diào)工程中，空氣的加熱和冷卻處理過程中大量用到的翅片管
冷卻器采用盤管形式，傳熱管束是用直徑較小的紫銅管穿上鋁翅片，排成2至8排制成管束。冷熱水在管內(nèi)為蛇形往復(fù)流動，空氣在管外翅片間穿行，同時被加熱或冷卻。翅片采用整體式翅片形式，翅片片型有平板型、皺紋型（其中，波紋板應(yīng)用最多）及開縫型（如條縫型、百葉窗型等）。
不同翅片形式的冷卻器，其空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力特性均有所差異。大量的實驗發(fā)現(xiàn)：在獲得好的熱交換特性的同時，不可避免地造成了摩阻的增加。在給定的熱交換器尺寸和風機運行曲線下，壓力損失的提高必然造成空氣流速的降低，并進而使空氣與翅片壁面之間的傳熱溫差降低。其次，空調(diào)工程中所使用的大部分冷卻器都是干、濕工況交替運行的，而不同翅片冷卻器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比，有很大差異。因此，如何正確選用翅片形式，對熱交換器實際工作特性的影響不容忽視，最好的是在換熱與阻力損失之間找到一種折衷的方案。
2.干工況下各種翅片冷卻器的性能對比
2.1 換熱系數(shù)和壓降損失
Giovanni Lozza和Umberto Merlo［1］對翅距2mm，翅厚0.11mm，管間距25mm，排間距21.65mm的各種翅片進行了對比試驗，試驗時的迎面風速為1m/s到3m/s.表征空氣側(cè)換熱強弱的Colburn j 因子和摩阻因子f 與Re數(shù)的關(guān)系。
弧形百葉窗翅片的最優(yōu)，其次為矩形百葉窗型、皺紋板型、波紋板型。究其原因為，光直翅片中，連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層妨礙了流體與翅片的換熱；波紋翅片破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層，所以換熱系數(shù)增大了；而開縫式翅片，不僅破壞了連續(xù)穩(wěn)定的粘性層流層，而且大大增加了流道中的紊流度，從而使換熱系數(shù)進一步增大。方形百葉窗和弧形百葉窗均是在翅片上開翻邊槽，以此強化氣流擾動，增強換熱。弧形百葉窗型翅片的開槽是沿著銅管外壁進行的，這樣的好處是氣流可以在百葉窗型翻邊的誘導(dǎo)下更大面積的沖刷到管后部，即減小銅管后部的尾流區(qū)域，強化換熱。
百葉窗型的翅片可極大地改善熱交換性能，特別是弧形百葉窗翅片可獲得非常高的換熱系數(shù)，幾乎是波紋片的兩倍。但引起的阻力損失也較大；影響大小與條縫高度有關(guān)。比如X1（開縫寬度為1mm）型翅片冷卻器，其換熱特性與其他高度的相比并無明顯提高，但阻力特性增長卻比較明顯，因此，百葉窗條縫高度應(yīng)嚴格控制。
2.2 影響冷卻器性能的幾何因素
2.2.1 翅片間距
關(guān)于翅片間距對換熱性能的影響，Rich研究了管徑為13.34mm，管間距為27.5mm，排間距為31.75mm情況下的14種平板翅片盤管的情況。試驗結(jié)果得到：4排管時，換熱性能與翅片間距無關(guān)；每排管的壓力降也與管排數(shù)無關(guān)。然而對1排或2排管，規(guī)律有所不同。ReDc＞5000時，渦流的影響占據(jù)了重要位置，翅片間距的影響可忽略。當ReDc＜5000時，熱交換性能隨翅片間距的減小而增大。Wang等人的試驗也證實了此觀點，同時還證實了對多排百葉翅片和波紋翅片冷卻器具有相同規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：較高的空氣流速和較大的管排數(shù)都會導(dǎo)致渦流區(qū)域的產(chǎn)生，因此，翅片間距對換熱系數(shù)的影響均可忽略。
2.2.2 管排數(shù)
對于平板型翅片：在管排數(shù)較大、翅片間距較小，且雷諾數(shù)較低時，管排數(shù)對換熱特性的影響才顯著起來。當ReDc<3000時，由于邊界層的影響，換熱因子將隨管排數(shù)的增加而減小；管排數(shù)對摩擦阻力因子的影響相對較小。然而當ReDc>3000時，管排數(shù)對換熱的影響將減小.對于波紋形翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對換熱系數(shù)和摩擦系數(shù)沒有明顯的影響；而在高雷諾數(shù)下，換熱系數(shù)會隨著管排數(shù)的增加而增加。
對于開縫型翅片：低雷諾數(shù)下，管排數(shù)對換熱系數(shù)有顯著的影響，換熱因子會隨著管排數(shù)的增加而急劇降低；管排數(shù)對摩擦因子的影響相對較小。
2.2.3 管徑
對于平板型翅片，管徑越大的，造成管后的無效面積也越大。換熱系數(shù)隨著換熱管管徑的減小而稍有增大。比如，對于單排管和雙排管，Dc=8.51mm時的換熱系數(shù)比Dc=10.23mm的稍高；但Dc=10.23mm的壓降卻比Dc=8.51mm的要大10%-15%.對于其它的翅片類型（波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗翅片），采用小管徑，同樣可以減小管排的拖曳作用，從而增大管外換熱系數(shù)；并能夠減小壓降損失。如：對百葉窗翅片，當迎面風速Vfr<1.5m／s時，采用小管徑的多排管結(jié)構(gòu)有利于提高冷卻器的換熱性能，并能夠減小10%的壓降損失。
3.濕工況下翅片冷卻器的性能變化對濕工況下空氣側(cè)傳熱系數(shù)的報道一直存在爭議。
例如，McQuiston（1978a）指出濕工況下空氣側(cè)換熱系數(shù)較干工況下略低，而Eckels和Rabas（1987）卻得到相反的結(jié)論。
K.Hong和R.L.Webb［6］指出，在2.5m/s的迎面風速下，濕工況和干工況下的壓降比，百葉翅片的為2.4，而波紋翅片的僅為1.42.另據(jù)報道，根據(jù)翅片形式和濕負荷的不同，濕工況下的壓降為干工況下的1.5～2.0倍。然而，對不同的翅片形式，濕工況下的熱交換系數(shù)比干工況下低10～30％。總之，盤管表面的凝結(jié)液膜的產(chǎn)生將嚴重影響空氣的換熱特性和摩擦特性。 2000年，Wang以兩種百葉窗形翅片在濕工況下的換熱性能為研究對象進行了分析。實驗結(jié)果表明：在濕工況的條件下，換熱特性對翅片間距和管排數(shù)的變化不太敏感，結(jié)果與干工況下的特性十分接近。然而與換熱特性不同的是，翅片間距的變化對摩擦特性有顯著的影響，對于翅距=1.2mm的冷卻器比翅距=2.5mm的冷卻器摩擦因子大30%～50%；另外，管排間距越大，越有利于凝結(jié)水的排放，從而使冷卻器的壓降損失降低。
4.冷卻器翅片表面性能的改進鋁翅片冷卻器在使用中存在如下問題：
首先，鋁翅片工作在干濕交替的環(huán)境中，其表面會形成Al2O3.H2O氧化層粉末，帶來機器壽命減少和環(huán)境污染兩方面的問題；此外，濕工況作業(yè)時，空氣中的水分冷凝，附著在翅片上形成“水橋”，導(dǎo)致風阻增加，能耗加大。表面涂膜處理是解決問題的有效方法，空調(diào)熱交換器表面涂膜處理技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的新技術(shù)，主要進行耐蝕性涂膜處理和親水性涂膜處理。
進行翅片表面涂膜處理后，空氣側(cè)的阻力特性會得到極大改觀。Mimaki（1987）對帶親水涂層的冷卻器進行了研究，他發(fā)現(xiàn)，采用親水涂層翅片后，濕工況下的壓降降低到原來的40～50％；且空氣側(cè)的熱傳遞系數(shù)增加了2～3個百分點。K.Hong和R.L.Webb［6］發(fā)現(xiàn)，對波紋片、開縫片和百葉片三種翅片形式，在2.5m/s迎面風速時，帶親水涂覆層時的濕工況和干工況下的壓降比均為1.2.即對濕盤管，在百葉翅片和波紋翅片上采用親水涂覆層，當迎面風速為2.5m/s時，可使?jié)窆r下壓降損失分別降低45％和15％。因此，涂覆層對百葉翅片的影響要比對波紋翅片的影響大。
5.結(jié)論
熱交換系數(shù)大的翅片能夠在相同容積和造價下提高熱交換器的熱交換能力，但是阻力的增加在固定的風機運行曲線下會降低空氣的流量。空氣流量的降低有兩方面的的不利因素：第一降低的空氣流速會降低熱交換系數(shù)；第二在表冷器中空氣溫度的提高，使相同起始溫差下的LMTD降低。因此，設(shè)計人員應(yīng)充分了解所選冷卻器的翅片形式，并根據(jù)使用場合不同區(qū)別對待。
(1）在干工況下，盡量采用換熱系數(shù)大的翅片形式，如開縫翅片，其中弧形百葉窗翅片形式換熱特性更為突出；但由于開縫翅片的阻力較大，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(shù)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；
（2）在濕工況下，開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冷卻器，且翅片間距不宜太小；
（3）當翅片冷卻器需要在干、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，可盡量采用百葉型翅片。
（4）盡量選用小管徑的翅片冷卻器，其換熱特性和阻力特性較大管徑的均有所改善。
（5）新風機組和風機盤管冷卻器采用不同的翅片形式，如可用新風負擔室內(nèi)全部濕負荷，
冷卻器采用波紋片的；而風機盤管采用開縫翅片，完全在干工況下工作。
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