《South African Journal of Chemical Engineering》：Investigating the effect of surface density in compact heat exchangers about similarity between dimensionless heat transfer coefficient and core friction coefficient
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**专业术语翻译摘要**
紧凑式换热器（Compact Heat Exchangers），包括管翅式、板翅式、杆翅式及回热式设计，广泛应用于气态流动场景。在本研究中，研究人员采用性能图（performance diagrams）对不同紧凑式换热器的几何表面进行
**专业术语翻译摘要**
紧凑式换热器（Compact Heat Exchangers），包括管翅式、板翅式、杆翅式及回热式设计，广泛应用于气态流动场景。在本研究中，研究人员采用性能图（performance diagrams）对不同紧凑式换热器的几何表面进行表征与比较，涵盖平直形、百叶窗形、波纹形、穿孔形、瓦楞形及杆翅式板翅构型。随后分析了这些表面的热工水力行为以识别其相似性，同时通过保持所有构型表面密度（surface density）一致来修正偏差。研究人员利用工程方程求解器（Engineering Equation Solver, EES）软件完成了代数计算、数值分析与图形评估。本研究的主要目标与新颖之处在于建立气体或空气通道中无量纲传热系数（以Colburn j因子表征）与摩擦系数（以Fanning摩擦因子表征）之间的关联。不同紧凑式换热器表面的性能图揭示了对数曲线斜率的差异，这些差异强烈依赖于换热表面密度，而表面密度是导致偏离经典热工水力相似性的关键因素。最终，通过分析换热器效能与压降之间的关系，并结合所建立的关联式与性能图，研究人员确定了最适合回热式燃气轮机发电厂应用的紧凑式换热器构型。
**论文解读文章**
**研究背景与现存问题**
紧凑式换热器（Compact Heat Exchangers）是一类单位体积换热面积（即表面密度，surface density, α）较高的高效换热设备，广泛用于燃气轮机、制冷空调、石油化工及航空航天等领域。在这类设备中，当工质为气体时，由于气体密度低、对流换热系数小，流动摩擦引起的压降损失对系统性能的影响远大于高密度液体工况。因此，在维持高效传热的同时尽可能降低流动阻力，是气体侧紧凑式换热器设计的核心矛盾。在评价紧凑式换热器热工水力性能时，Colburn j因子（j-factor）和Fanning摩擦因子（f-factor）被公认为最可靠、最有效的两个无量纲指标，前者表征传热性能，后者反映流动阻力。
尽管已有大量针对特定翅片几何形状（如偏置条带翅片、波纹翅片等）的独立j因子和f因子关联式研究，且已有学者（如Kays和London等）提供了丰富的实验性能数据，但对于以下核心问题仍缺乏系统研究：表面密度这一关键几何参数如何影响无量纲传热系数（j因子）与核心摩擦系数（f因子）之间应有的经典热工水力相似性？换言之，经典湍流管道流动中的雷诺类比（Reynolds analogy）是否能直接推广至紧凑式换热器通道？表面密度的差异是否是导致偏离经典j–f相似行为的根源？现有研究中尚未建立定量的广义关系来解释这一偏差。正是基于这一研究空白，本研究得以开展。
**研究目的与开展的工作**
本研究的主要目标是利用性能图（performance diagrams）系统分析与比较六类典型紧凑式换热器表面——平直形（plain）、百叶窗形（louvers）、波纹形（wavy）、穿孔形（perforated）、瓦楞形（corrugated）以及杆翅式（rod-fin）板翅构型的热工水力行为，尝试建立气体或空气流动通道中Colburn j因子与Fanning摩擦因子之间的广义关联。研究的新颖性体现在三个方面：第一，将表面密度识别为导致偏离经典j–f相似性的关键参数；第二，利用多种紧凑式换热器类型的性能图统一其热工水力行为；第三，提供可指导回热式燃气轮机系统最优几何选择的广义关联式。研究中，研究人员以Kays和London（1984）等权威实验数据为基准，使用工程方程求解器（Engineering Equation Solver, EES）软件进行代数计算、数值分析和图形绘制，并基于热工水力类比原理，引入水力直径（hydraulic diameter, D
h）概念，尝试将经典相似关系推广至紧凑式换热器通道。
**主要关键技术方法**
研究人员采用的核心方法包括：（1）基于Kays和London（1984）经典实验数据及文献中已验证的传热与压降数据，绘制各换热器表面的性能图（j–Re与f–Re对数坐标图），通过回归分析拟合出j因子和f因子随水力直径D
h与雷诺数Re变化的连续关联式（如j=5.8787D
h0.6Re
?0.4等）；（2）应用工程方程求解器（EES）软件对换热器效能（ε）、压降（ΔP）、传热单元数（NTU）等参数进行代数求解；（3）构建以(α·D
h)2·j/f最大化为准则的优化指标，比较不同几何表面的热工水力综合性能，确定最优换热器构型；（4）计算中忽略进出口收缩与膨胀损失（其占比小于总压降的5%），压降以核心区摩擦主导为假设；（5）样本数据全部来源为Kays和London（1984）、Kim和Bullard（2010）等公开文献，无新建实验台架。
**研究结果与分析**
**（一）不同层数对换热器效能与压降的影响**
研究人员在冷侧入口雷诺数（Re）分别为5×103、10×103和20×103条件下，计算了板翅式紧凑式换热器在不同芯体层数（n）下的效能（ε）与热侧压降（ΔP
hot），通道直径取1–2 mm，通道长度固定为1500 mm。结果表明：随着层数n增加，传热面积增大，ε逐渐提高，但增幅逐渐减小，呈现收益递减规律；而压降则持续上升，且在高雷诺数下压降增加更快。当层数超过40层（即20个热板与20个冷板）后，继续增加层数对ε的改善不足3.5%，却会显著增大流动阻力。图12显示，等效传热单元数（NTU
eq,n）在约40层之后趋于平台期，确立了合理几何规模的上限。图13表明，在固定直径下，增加冷侧入口雷诺数（等效于增大质量流量）会导致效能ε下降，同时热侧压降上升。
**（二）不同翅片剖面形状的优化参数比较**
研究人员定义了优化参数(α·D
h)2·j/f，该参数实质为换热量与压降之比Q?/ΔP的无量纲形式，并作为选择最优换热器的设计准则。对六种板翅式换热器家族——梯形与矩形剖面、弧形剖面、三角形剖面、1/8英寸条带翅片、1/9英寸条带翅片、1/10英寸条带翅片——在宽广雷诺数范围内绘制优化参数曲线（图15至图20）。结果显示：所有构型的优化参数均随Re增大而升高，且热物性参数λ越大，优化水平越高。横向对比（图21和表3）表明，弧形剖面简单板翅式换热器在Re=80,000时取得最高优化值(Q?/ΔP)
max=90.83，显著优于梯形/矩形剖面（在Re=120,000时为18.1）、三角形剖面（在Re=100,000时为35.68）以及三种条带翅片设计。弧形剖面的优势在于其平滑流动通道减少了局部流动分离，降低了压降损失，同时保持了良好的流体混合与传热效果，从而在同等工况下获得了更高的热工水力综合性能指标。
**（三）表面密度对j–f相似性的影响**
通过对多种紧凑式换热器性能图的对数曲线斜率进行分析，研究发现各构型的j因子与f因子随雷诺数变化的曲线斜率存在明显差异，这种差异与换热表面密度α密切相关。表面密度越大，水力直径越小，传热系数和摩擦系数均升高，但两者升高的幅度比例不同，导致经典的j–f热工水力相似关系发生系统性偏离。该结果为理解紧凑式换热器通道内传热与流动阻力的内在关联提供了定量依据，也验证了以表面密度作为修正参数建立统一关联的合理性。
**讨论与结论**
本研究表明，紧凑式换热器中传热与摩擦之间并非简单的经典类比关系，而需引入表面密度进行修正。从设计角度看，追求更高换热效率必然导致压降增大，进而要求增大换热器体积。针对回热式燃气轮机发电厂的热回收循环，弧形剖面简单板翅式换热器被确认为最高效的回热器构型，其在传热性能与压降损失之间取得了最佳平衡。此外，研究建议未来分析冷热流体的串并联组合构型，并指出将热容量流率比从1降至更低值可在不增加传热面积的前提下提升效能，同时每增加一个并联行程会导致压降增加约1.8倍。综上，本研究建立的j–f广义关联及优化准则，为紧凑式换热器在燃气轮机回热系统及其它气侧换热场景中的选型设计提供了有实用价值的理论工具。
