翅片管式換熱器是空調中*常用的換熱器結構形式。換熱器是空調器性能提升的關鍵技術，行業內對翅片管換熱器的片型、管形、流路等進行了大量研究。本文通過對不同翅片厚度對應各種規格換熱器進行數值模擬，分析翅片厚度對不同規格換熱器的影響，并針對不同規格換熱器給出推薦的翅片厚度，力爭換熱器性能和成本*優，提升產品競爭力。
1、 數學物理模型及驗證
1.1 物理模型
本文所研究的開縫翅片結構簡圖如圖1所示，翅片計算模型如圖2所示。模型考慮了管徑的翻邊厚度并納入管外換熱的計算。
1.2 數學模型
1.2.1 計算模型及控制方程
利用對稱性，建立翅片的基片位于計算模型的中間：假定空氣側流動為不可壓、穩態和常物性對流換熱過程。控制方程包括了三維的連續性方程、動量方程和能量方程。假定銅管內、外表面溫度保持不變，忽略翅片和銅管間的接觸熱阻。計算條件為：取銅管壁溫度318 K，外界氣流溫度308 K。壓力一速度耦合采用SIMPLE方法，翅片表面采用自身導熱和對流換熱的耦合方式，區域的邊界使用對稱性邊界條件和周期性邊界條件，其控制方程見文獻[18]。
1.2.2 邊界條件
計算中為了保證進口處的均勻流速，把計算區域向上游和下游分別延長相應的流動深度。進口邊界條件為流度、溫度均勻分布；出口為充分發展邊界條件。所有延長段的側面均為對稱性邊界條件。在換熱片區域，前、后（側面）流體區和翅片區域均為對稱性邊界條件，管壁區為無滑移恒壁溫邊界條件，上、下流體區域為周期性邊界條件。
1.2.3 網格獨立性驗證
采用四面體網格分別對流體和固體部分進行劃分。為了提高解的精度和可靠性，首**行網格獨立性測算，采用不同的網格密度重復同樣的計算，比較所得的結果，對驗證計算結果的可靠性具有非常重要的意義。以模型（由兩排外徑7 mm銅管構成）為例，分別采用網格數量為48萬、60萬、71萬、82萬和95萬時，以48萬網格為基準，壓降和換熱量相對于基準網格的變化率如圖3所示，當網格大于71萬時，壓降和換熱量的變化率非常小，考慮到仿真計算時間，因此采用大于71萬網格完全能夠滿足現有計算的精度要求，且在實際仿真中采用的網格數均大于71萬。
1.2.4 模型驗證
以兩排外徑9.52 mm銅管換熱器進行模擬和換熱器單體驗證，詳細換熱器參數及單體測試條件見表1，理論計算結果與換熱器單體測試結果見圖4，圖中9.52-1.4-0.105和9.52-1.5-0.105表示管徑9.52 mm、片距1.4 mm和1.5 mm、翅片厚度0.105 mm。換熱器單體測試中，空氣側換熱能力均達到管內側97%以上。
從理論計算結果和換熱器單體測試結果來看，1.4 mm和1.5 mm片距理論計算值分別高單體測試值0.2%和0.66%，均小于1%；1.4 mm片距單體測試能力值較1.5 mm片距高4.62%，1.4 mm片距理論計算值較1.5 mm片距高4.13%，二者各自的變化趨勢相差0.49%。因此，理論計算值與實驗測試值吻合較高，所建模型可以較好預測換熱器性能。
2、翅片厚度對兩排不同管徑換熱器性能影響的數值研究
2.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件，分別對傳統規格兩排外徑9.52 mm銅管、外徑7 mm銅管套寬片、外徑5 mm銅管進行仿真研究，詳細參數見表2。
2.2 計算結果分析
3種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm厚度翅片換熱量提升如圖5所示。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑9.52 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升2.14%、4.25%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑7 mm銅管套寬片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.99%、3.66%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排傳統外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.29%、2.47%。因此，管徑越大，翅片厚度對換熱性能影響越大。
3、翅片厚度對兩排不同片寬的換熱器性能影響的數值研究
3.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管套用不同的片寬進行仿真研究，詳細參數見表3。
3.2 計算結果分析
5種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖6所示。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬22 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.99%、3.66%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬20 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.79%、3.43%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬18 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095mm翅片厚度分別提升1.64%、3.02%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片寬13.4mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.49%、2.81%。因此，對于外徑兩排7 mm銅管換熱器，翅片寬度越寬，翅片厚度對換熱性能影響越大。
4、翅片厚度對不同開縫形式換熱器性能影響的數值研究
4.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管開縫形式分別為百葉窗和平片進行仿真研究，詳細參數見表4。
4.2 計算結果分析
兩種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖7所示。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1、0.105 mm百葉窗翅片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.74%、3.33%；翅片厚度為0.1、0.105 mm平片翅片換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.5%、2.79%。因此，對于兩排外徑7 mm銅管換熱器，開縫翅片的翅片厚度對換熱性能影響比平片較大。
5、翅片厚度對不同片距換熱器性能影響的數值研究
5.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對兩排外徑7 mm銅管套寬片進行仿真研究，詳細參數見表5。
5.2 計算結果分析
3種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖8所示。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.4 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.38%、2.57%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.3mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.27%、2.5%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm片距為1.2 mm換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.34%、2.38%。因此，對于外徑7 mm銅管翅片，片距越大，翅片厚度對換熱性能越大。
6、翅片厚度對不同排數換熱器性能影響的數值研究
6.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對常規外徑7 mm銅管換熱器兩排和三排進行仿真研究，詳細參數見表6。
6.2 計算結果分析
兩種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖9所示。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排外徑7 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.43%、2.75%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm三排外徑7 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.32%、2.5%。因此，翅片厚度對應不同換熱器排數的換熱性能基本均無影響。
7、翅片厚度對不同管徑和管間距換熱器性能影響的數值研究
7.1 計算條件
在入口風速為1.25 m/s條件下，分別對常規兩排外徑5 mm銅管換熱器和小管間距換熱器進行仿真研究，詳細參數見表7。
7.2 計算結果分析
兩種不同換熱器空氣側不同翅片厚度單位面積換熱量及相對于0.095 mm翅片厚度換熱量提升如圖10所示，圖中常規換熱器簡稱5-19.5-11.6-1.2，小管距換熱器簡稱5-14-12-1.2。
從圖中可以看出，在相同風速條件下，翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm兩排常規外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升1.29%、2.47%；翅片厚度為0.1 mm、0.105 mm新型外徑5 mm銅管換熱器的單位面積換熱量比0.095 mm翅片厚度分別提升0.97%、1.76%。因此，對于小管徑小管間距換熱器，翅片厚度對換熱性能的影響小于常規小管徑換熱器。
8、結論
本文通過對翅片式換熱器不同管徑、不同中心距、不同片寬、不同片距、開縫翅片、不同排數、小管徑和小管間距對應不同翅片厚度進行數值研究。數值研究相關結論如下：
1）換熱器管徑、片寬、片距越大，翅片厚度對換熱性能影響越大；
2）開縫翅片與平片相比，翅片厚度對換熱性能影響較大；翅片厚度對應不同排數的換熱性能基本無影響；
3）小管徑小管間距換熱器的翅片厚度對換熱性能影響較小。
對于室外機換熱器（主要規格是外徑9.52 mm銅管、外徑7 mm銅管套寬片），考慮到空調使用過程積灰對性能衰減影響，建議采用0.105 mm翅片厚度；對于小管徑小管間距換熱器，綜合考慮成本和換熱性能，建議采用0.095 mm翅片厚度。
版權聲明：本文作者趙夫峰，版權歸屬原作者，內容由制冷空調換熱器聯盟編輯整理，轉載請注明來源。
