单相流体横向或纵向掠过管束是工程上常见的对流换热过程，其最实用的强化方法是扩展换热面和采用各种异形管。

1.扩展换热面

当换热面一侧为气体，另一侧为液体时，由于气体侧的换热系数比液体侧小得多（一般只有～）。这时应用扩展换热面的方法来提高传热系数是最有效的办法。为了使换热器更加紧凑和进一步提高气侧的换热，现在各种异性扩展换热面得以迅速发展，它们可使气侧的换热系数较普通扩展面再提高0.5～1.5倍。

1）平行板肋换热器中各种异性扩展换热面

平行板肋换热器中的异性扩展换热面发展最快，应用也最广。它们是各种普通扩展面（如矩形、三角形）的变形，其种类繁多，形状各异。最常用的有波形、叉排短肋形、销钉形、多孔形和百叶窗形（见图2-12）。这些换热面的肋片密度都很高，一般为每米300～500片。由于通常当量直径小，气体密度小，因此它们经常处于低雷诺数的范围，即Re=500～1500，亦即处于层流状态。它们的特点，或者是利用流道的特殊截面形状来强化传热，如波形通道中产生的二次流，或者是使通道中流动的边界层反复形成又反复破坏来强化换热，叉排短肋形、销钉形就是如此。下面分别对常用的异性扩展面加以讨论。

图2-12　各种扩展换热面

（1）波形扩展换热面。

波形扩展换热面能使气体流过波形表面的凹面时形成旋涡，造成反方向的旋转，而在凸面处又会形成局部的流体脱离，这两种因素均会使换热得到强化。

（2）叉排短肋形扩展换热面。

叉排短肋形扩展换热面是将通常的矩形长直肋变成短肋，并错开排列，这样在前一块短肋上形成的层流边界层在随后的叉排肋处被破坏，并在其后形成旋涡，这一过程反复进行。由于边界层开始形成时较薄（入口效应），热阻较小，因此换热得到充分的强化。一般叉排短肋要比矩形直肋换热系数高一倍，当然相应阻力也要增加，一般约增大2倍。

（3）销钉形扩展换热面。

销钉形扩展换热面与叉排短肋扩展换热面类似，它使用销钉来代替短肋，其强化换热的机理也与短肋类似。

（4）多孔形扩展换热面。

这种换热面是先在板上打许多孔，再将板弯成通道，当孔足够多时，由于孔的扰动可以破坏板上的流动边界层，从而强化传热。

（5）百叶窗形扩展换热面。

在板上冲许多百叶窗，再将板弯成通道，这些百叶窗的凸出物能破坏边界层，从而增强传热的效果。

2）圆管上的各种异形扩展换热面

圆管上的异形扩展换热面通常是在普通圆肋的基础上形成的，如开槽肋片、开三角孔并弯边的肋片、扇形肋片、绕圈形肋片等，它们的目的都是破坏流动边界层，从而强化传热。

肋片的形状对换热有很大的影响。对椭圆管上套圆形肋片、椭圆形肋片和矩形翅片（其四角上带有绕流孔）的研究表明，矩形翅片效果最好，可使换热系数提高7％。

在空调、制冷等工程领域广泛应用开缝翅片。在相同的泵功下，开缝翅片的换热性能均优于平直翅片、三角形波纹片和正弦波纹片。陶文铨等根据场协同原理，通过数值计算和实验研究证实，在采用扩展换热面（翅片）来增强传热时不仅要注意换热面积增加了多少，而且要注意在增加的面积上流体速度与温度梯度的协同程度。如果协同程度差，所增加的面积将起不到应有的作用。基于这一思想，陶文铨等对开缝翅片的开缝位置进行了研究。目前工程上广泛应用的开缝翅片，其开缝位置都是均匀的。研究则证明，同样的开缝数目，把开缝设置在流动方向的下游比放在上游好，因此应按照“前疏后密”的原则来设计开缝翅片。陶文铨等已将这一原则应用于翅片式换热器的设计，在工业应用中取得良好的效果。图2-13给出了改进翅片的三种开缝方案。

2.采用异形管

1）流道截面形状对管外流动和传热的影响

管外流动与管内流动最大的区别是，换热面上的流动边界层与热边界层能不受壁面限制而自由地发展，因此在边界层之外还存在一个主流区，主流区内的速度梯度或温度梯度通常都可以忽略不计。

管外流动又分为纵掠和横掠，纵掠单管或管束的流动和管内流动有许多相似之处，在工程设计中可采用当量尺寸作特征尺寸，然后按管内流动的公式计算其流动阻力和换热系数。但对于横掠单管或管束的流动，除了具有边界层的特征外，还会发生绕流脱体，从而引起回流和旋涡。显然横掠流动时边界层的成长和脱体情况取决于外掠物体表面的形状，因此截面形状对横掠流动的阻力和换热有很重要的影响。例如对于流体横掠圆管的换热，通常可以用以下公式计算：其中系数C和指数n由实验确定。空气横掠圆管时的C和n值见表2-5。而气体横掠非圆形截面的柱体或管道时，式（2-22）中C和n的值则如表2-6所示，此时Re和Nu准则中的特征尺寸采用示意图中的l。

图2-13　改进翅片的三种开缝方案

表2-5　空气横掠圆管时的C和n值

续表

此外，对管束而言，管子的排列方式也是影响流动和传热的重要因素。对于横掠顺排和叉排圆管时的换热，通常对管排数进行修正。为了强化传热，特别是横掠管束的换热，更出现了各种形状的翅片管（肋片管），而翅片管的结构参数（高度、间距、形状等）对换热也有非常重要的影响。正是由于人们越来越认识到截面形状对流动和传热的重要性以及加工制造技术的进步，出现了许多异形强化传热管，如螺旋槽管、横纹管、波纹管、缩放管、椭圆管、滴形管、透镜管、螺旋椭圆扁管、交叉缩放椭圆管等，它们有的用于强化管内换热，有的用于强化管外换热。有的管形在强化管内换热的同时也能强化管外换热。在多种异形管中应用最多的是椭圆管和滴形管。

表2-6　气体横掠非圆形截面管道时的C和n值

2）椭圆管的阻力和换热特性

黄素逸等对横掠椭圆管的对流换热进行了详细研究，选取了12种不同形状的椭圆管，它们的长短轴之比（a/b）分别为1.25、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50、2.75、3.00、3.25、3.50、3.75、4.00，加上圆管（a/b=1）和平板（a/b=∞），共14种元件，对它们在横掠气流中的换热进行了系统的研究，在此基础上对不同形状的椭圆管给出了经验公式。

对横掠圆管的换热有许多经验公式，黄素逸的实验结果和Zhukauskas所推荐的公式完全一致，即

其实验范围为Re=1×103～2×105。为此，对横掠椭圆管的换热，均按该式的形式整理。

对工程范围内各种常用的不同形状的椭圆管，有如下的经验公式：

当a/b=1.5时

当a/b=2.0时

当a/b=2.5时

当a/b=4.0时

以上各式中，Nua和Rea中的下标“a”均取椭圆管的长轴a，定性温度则为来流温度，其实验范围为Rea=104～105。

由实验结果可以得到如下结论：①对于不同形状的椭圆管，在横掠气流中其平均换热系数不但随着长短轴之比的变化而变化，而且与流动的Re有关。要求得Nu与a/b的关系式是很困难的，工程上比较切实可行的办法是对不同的a/b的椭圆管，采用不同的经验公式；②在横掠气流中椭圆管横放和竖放对换热的影响很大，竖放时的换热明显高于横放时，因此计算时对横放和竖放必须采用不同的计算式，但在工业应用中由于竖放时流动阻力太大，故通常采用横放。

值得注意的是和圆管管束类似，第一排管和第二排管的换热系数都较第三排以后的低，当管排数不是很多时，计算整个管束的平均换热系数应考虑第一排和第二排的影响。

3）椭圆翅片管的阻力和换热性能

（1）概述。

椭圆翅片管有多种结构形式，目前在工业中应用最广的结构形式如图2-14所示。当然根据实际情况，椭圆管的长短轴，矩形翅片的尺寸、厚度和翅片间距，以及其上扰流孔的数目都可以根据需要在上述基础上改变。例如德国GEA公司为大型电站生产的直接空气冷凝器就是采用长短轴分别为100 mm和20 mm的椭圆管，矩形翅片上则开有16个扰流孔。

图2-14　椭圆矩形翅片管的基本结构

椭圆矩形翅片管的制造工艺如下：先将无缝钢管按所需要的长短轴尺寸轧制成椭圆管，然后将薄钢板按要求冲压成带L形翻片和扰流孔的矩形翅片，最后用套片机将矩形翅片套在椭圆基管上，经酸洗、碱洗以后送入浸锌槽中进行整体热浸锌。当椭圆翅片管用于采暖、空调或某些紧凑式换热器中时，椭圆管及翅片常采用黄铜或紫铜。除最后采用整体热浸锡外，其他工艺与钢制椭圆翅片管都是类似的。

根据黄素逸等的研究，椭圆矩形翅片管有如下优点：

①与圆管相比，流动阻力小，传热系数大。这是由于椭圆管呈流线形，在横掠气流中，流体分离点后移，从而减少了管后的旋涡区，另外椭圆管前半部的边界层比圆管薄。这些因素有利于增强传热和减小流阻，通常流速下可以比圆管圆形翅片的流阻减小50％以上。(www.daowen.com)

②椭圆管的传热面积比同样截面的圆管大15％，因此在相同流速下，管外换热面积可提高15％。

③在相同的条件下，椭圆管的传热周长比圆管大，因此管内的热阻小，有利于管内介质的传热。

④对于同样材料的翅片，矩形翅片比圆形翅片效率高8％。

⑤矩形翅片上开有扰流孔，它可以扰动横掠气流，从而减薄管壁及翅片上的边界层，能强化管外侧的换热。

⑥椭圆矩形翅片管可以布置得较紧凑，它占风道的面积仅为圆管的80％。

⑦椭圆矩形翅片管顺着流动方向刚性好，垂直于流动方向又有一定的柔性，在横掠气流中诱导振动的振幅小，抗热应力的能力强。

⑧由于椭圆管套矩形翅片后，整体热浸锌，翅片呈L形，与椭圆管接触面积大，加上浸锌后，锌填充在翅片和椭圆管之间，既增加了椭圆管的承压性，又消除了接触热阻，使翅片管的传热性能大大改善。

⑨由于整体热浸锌，椭圆翅片管抗腐蚀的能力强，能够在较恶劣的工况下长期工作。

⑩由于采用钢管和矩形钢翅片，管组强度高，冷却器能用高压水冲洗。

由于上述优点，因此椭圆矩形翅片管在电力、炼油、化工、制冷、冶金、建材等行业获得了广泛的应用。

（2）横掠椭圆矩形翅片管的换热。

为了了解单根椭圆矩形翅片管的性能，黄素逸等对结构与图2-15类似的四组椭圆翅片管进行了实验研究。其中一组为圆管方形翅片，它们的尺寸如表2-7所示。表中a和b分别为椭圆管的长轴和短轴，A和B则分别为矩形翅片的长和宽。

表2-7　实验椭圆矩形翅片管的尺寸　（单位：mm）

为了研究翅片间距的影响，以上四组管的翅片间距（s）又分为3 mm、6 mm及9 mm三种。对于三种椭圆矩形翅片管所得到的经验公式如下：

对a/b=2.75的椭圆矩形翅片管，有

当s=3 mm时

当s=6 mm时

当s=9 mm时

对a/b=3.25的椭圆矩形翅片管，有

当s=3 mm时

当s=6 mm时

当s=9 mm时

对a/b=2.5的椭圆矩形翅片管，有

当s=3 mm时

当s=9 mm时

在上述诸式中Nu和Re中的特征尺寸De由下式确定：

式中，Ar为每米管长光管的面积；Af为每米管长的总翅片面积；nf为每米管长的翅片数；D为椭圆管的当量直径，其值按下式计算：

由实验结果可知，当翅片间距减小，翅片密度增加时，换热系数将有所下降。通常翅片间距s=4～5 mm时，其综合性能指标最优。此外，黄素逸等还从理论上分析了椭圆矩形翅片管的翅片效率，并对翅片形状进行了优化。

（3）横掠椭圆矩形翅片管束的换热。

为了研究横掠椭圆矩形翅片管束的换热，研究者对长短轴之比a/b=1.75，矩形翅片尺寸A/a=1.52，B/b=1.71的椭圆翅片管进行了研究。其管子排列方式为叉排，其横向管间距s1和纵向管间距s2如表2-8所示。

表2-8　管子的排列方式

对于换热系数，由实验获得的经验公式为

对于流动阻力，其准则关系式为

上两式中，Nu和Re中的特征尺寸为按式（2-40）计算的D，定性温度为来流的平均温度，其适用范围为：Re=8×103～3×104；s1/De=1.10～1.73；s2/De=2.4～4.6。

特别值得注意的是，按式（2-42）计算的管束的换热系数是按翅片管的当量直径De来核算的，因此当求整个管束的换热量Q时，应按下式计算：

式中，h为按式（2-40）求得的换热系数；l为管长；n为管子数目。

由于椭圆管的形状不同，翅片尺寸各异，对各种类型的椭圆翅片管束来求得统一的计算式几乎是不可能的。国外采用椭圆管的大公司，如前述GEA公司，都有自己的实验室，并通过实验来得到某一特定椭圆管束的换热和阻力计算式。

（4）椭圆管和椭圆翅片管的应用。

椭圆管和椭圆翅片管由于其优异的性能已开始应用于工业界。例如锅炉用的暖风器，原都采用圆管钢制波纹型翅片作为传热元件，由汉门电力设备厂和华中科技大学共同研制的NFT系列暖风器以钢制椭圆矩形翅片管作为传热元件。经西安热工研究院和电厂现场测试，新暖风器传热系数高30％，风阻下降60％，仅风阻下降一项，一台WGZ-410/100-2型锅炉每年即可节电6.0×105 kW·h，现在这种暖风器已行销全国所有省市并出口东南亚。

石化行业常减压和催裂化装置上使用的空冷器，过去均采用圆管上缠绕铝片作为传热元件，在采用钢制椭圆矩形翅片空冷器后，仅因风阻减小，风机节电每年达2.3万元，由于传热效率高，每年可节省3.12万元，原材料费可节省5.1万元，经济效益非常明显。目前这种椭圆矩形翅片管空冷器已在石化行业获得了广泛应用。

钢铁企业冷轧厂的罩式炉冷却器过去都采用圆翅片管。黄素逸等与宝钢合作将椭圆矩形翅片管（带6个扰流孔）空冷器代替原有的圆翅片管空冷器用于氮-氢罩式炉，使每炉钢板冷却时间缩短3 h，经济效益巨大。

广州石化公司空气压缩机的中间冷却器原以钢制圆管圆片为传热元件，系进口设备。汉口电力设备厂将其改为以椭圆矩形翅片管为传热元件后，由于热效率增加，其一段缸的出门温度由178℃降至135℃，由于阻力下降，其空压机的转速由9612 r/min降至9368 r/min，功耗大大下降。

以上情况充分说明椭圆管及椭圆翅片管巨大的应用潜力，但在具体使用时应注意以下问题：

①应根据具体的应用对象选择合适的管形及翅片尺寸、厚度、间距等。例如：当气侧含灰尘较多时，应加大翅片间距；当气侧阻力要求很低时，可选用长短轴之比更大的椭圆管。此外根据现场情况对不同的管排可以采用不同的翅片间距。例如，GEA公司为大型电厂生产的汽轮机乏汽直接空冷器，其各排管的翅片间距并不相等，以保证管内乏汽能以相同的速度冷凝，防止发生串汽阻塞。

②可根据使用情况采用不同材质的椭圆管及椭圆翅片管。例如，对采暖、制冷空调可采用铜管铜翅片热浸锡，以进一步强化换热并使结构更加紧凑。作为锅炉省煤器，可采用铸铁管，或将矩形翅片与椭圆管一起整体铸造，以耐腐蚀。对于用于化工行业的椭圆翅片管，例如苯酐车间的热熔冷凝器，则可采用滚焊工艺将矩形翅片和椭圆管焊在一起，以适用周期性骤冷骤热的工艺要求。

③矩形翅片与椭圆基管的紧密接触是保证椭圆翅片管性能的关键，因此翅片内孔除翻边成L形外，还要求适当呈喇叭口状，便于套片。另外热浸锌或浸锡时，翅片管应在浸槽内适当振动，以使锌或锡能充满翅片与基管间的间隙。翅片管出槽后也应适当抖动，并用金属刷除去矩形翅片间的挂锌（或锡），这样不但翅片管美观，而且保证翅片间隙不被锌或锡堵塞。不少生产厂家上述工艺不过关，甚至不浸锌或锡，或用电镀来代替热浸过程，这样制作的椭圆翅片管是不能保证使用效果的。