扁管空冷器翅片結構優(yōu)化研究*

杜 弘，楊 鵬，張升平

(1.西安恒瑞工程流體設備有限責任公司，陜西 西安 710061； 2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

1 引 言

由于節(jié)水的要求，在化工、電力及民用等許多領域，冷卻器將空氣作為冷卻介質，但是空氣側的傳熱熱阻相對較大，因此空氣冷卻器翅片作為有效地強化傳熱、增加擴展面積的手段而得到廣泛的應用[1]。翅片擴展面積的提高對換熱量的提高不是線性的關系，存在翅化效率的問題，因此對于一定應用場合存在不同的合適的翅片結構。筆者對單排管在不同的翅片長度及不同的風速進行了數(shù)值計算，以判斷翅片長度的選擇與迎面風速的關系，為空冷器傳熱強化管的設計提供參考。

2 扁管作為傳熱管的應用

傳統(tǒng)空冷器的傳熱管基本都是圓管橢圓纏繞翅片管或矩形套片管。兩種管型在使用的時是多排結構，由于自身的結構特點和多排使用特點，在實際運行中灰污沉積快且難以清洗，在室外及環(huán)境空氣質量差的場合運行效率低、成本高、清洗難度大、防凍能力差[2]。而大扁管外翅片采用全表面覆鋁釬焊技術減少了接觸熱阻，翅片表面平滑，無定位柱，灰污沉積速度相對低，清洗容易，因此大扁管加平直翅片釬焊的傳熱管型值得大力推廣應用。

扁管的管型承壓能力比較低，尤其管長度較長時，自身的穩(wěn)定性較差，但在有釬焊的翅片后強度增加，承壓能力提高。對于220 mm×20 mm×1.5 mm的基管，在無翅片的條件下，即使在常溫下，管內外壓差為70 kPa時管子變形達到6.43 mm，而在加翅片后，翅片節(jié)距為3.2 mm，溫度增加到120 ℃，管內外壓差為100 kPa時最大變形為0.24 mm，變形大幅度降低，如圖1、2所示。因此采用合適的基管結構和翅片節(jié)距完全可提高扁管的承壓能力，大扁管直翅片的結構可得到推廣應用。

圖1 常溫下無翅片時管子變形 圖2 高溫下有翅片時管子變形

3 翅片管的物理模型

按照單排管的基本結構選擇長度為一個節(jié)距的翅片管建立計算的幾何模型。單排管的基管尺寸：220 mm×19 mm×1.5 mm，翅片：222 mm×19.5 mm×0.25 mm，節(jié)距：2.325 mm。

由于翅片管左右對稱，采用單排管的一半結構，對稱簡化進行建模，在建模時考慮到空氣進入流道的進出口效應，將模型沿流道方向前后延長，以便當進出口得到穩(wěn)定狀態(tài)情況下的溫度壓力值。在入口采用速度入口條件，按照參數(shù)需要改變入口的不同速度，出口為壓力出口。按照空冷器的工作條件，出口為環(huán)境氣壓；管內為飽和蒸汽，因本課題不給出管內冷凝的流動和傳熱特性，在此不再贅述。由于冷凝側熱阻大于空氣側對流換熱熱阻，將基管內壁面設置為固定壁溫以簡化計算模型，其他邊界采用對稱方式?；芎统崞g由于材料不同，設置不同材料導熱系數(shù)進行傳熱。不考慮基管與鋁片之間因焊接不完全造成的接觸熱阻，只需考慮導熱熱阻。模型內部采用流固耦合換熱模型，與空氣接觸的基管和翅片與空氣的換熱方式為對流換熱，不考慮輻射傳熱的影響。

對基本結構的單排管分別采用紊流和層流模型進行計算，將計算結果與在同樣的試驗參數(shù)條件下獲得的物理試驗結果進行比較，結果如圖3所示。

圖3 層流紊流計算與試驗比較

比較結果顯示，采用層流流動方式建立數(shù)學模型獲取的結果與試驗結果相近，采用紊流的計算方法則放大了單排管的實際換熱能力。在計算中管間采用的是絕熱邊界條件，在試驗中為測量的需要對絕熱邊界進行適當延長，絕熱邊界和翅片間填充保溫材料。由于兩者處理上略有不同，所以溫度略有差異。

4 數(shù)學模型的建立

模擬計算中未考慮蒸汽側的熱阻、翅片與基管之間的接觸熱阻及實際運行過程中單排管的內外污垢熱阻。根據(jù)以上分析，空氣在翅片管間的流動為層流、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流動。計算中不計重力影響，物性根據(jù)每次迭代狀態(tài)不同而改變。常物性條件下,其流動和傳熱滿足以下控制方程[3]：

質量守恒(連續(xù)性)方程:

(1)

動量守恒方程：

電廠周圍環(huán)境空氣風場可以看成是不可壓縮的，外流場應滿足的三維控制方程為：

(2)

本構關系：

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

式中：ρ為空氣密度；u為速度，i,j,k=1,2,3；p為壓力；μ為流體動力粘性系數(shù)；τij為應力張量；sij為應變率張量；t為空氣溫度；a為導溫系數(shù)；u,v,w分別表示空氣在x,y,z方向上的速度分量。

5 翅片長度對傳熱性能的影響

沿空氣流動方向在翅片中線上均勻布置壁溫測點，相鄰2個測點之間間隔為10 mm，共20個測點?？諝鉁囟葹橥瑯游恢玫?個翅片中間的空氣溫度，即在節(jié)距中心取出沿空氣流動方向的20個測點，這些測點在垂直流動方向上與壁溫測點對應。在200 mm的翅片長度時，如果以翅片每增加10 mm空氣溫度升高1 ℃為限，風速則為0.5 m/s時位置為100 mm；1.0 m/s位置為150 mm；1.5 m/s時位置為180 mm；2.0 m/s時位置為190 mm；2.5 m/s時位置為200 mm；3.0 m/s時位置為160 mm。在風速1.5 m/s和2.5 m/s時溫度比較圖如圖4、5所示。

圖4 風速為1.5 m/s時翅片壁溫與空氣溫度的比較

在風速較低時，換熱能力較差，空氣溫度升高較快，在較短的流程內達到空氣的最高溫升，因此通過增加翅片長度來增加換熱面積能夠帶走的熱量很有限。當風速提高到3 m/s，翅片間的換熱強化，達到最大空氣溫度所需要的翅片長度反而減少。綜上所述，可得知翅片長度是否需要增加與設計的迎風速度有密切關系。

圖5 風速為2.5 m/s時翅片壁溫與空氣溫度的比較

翅片表面溫度越大，與空氣的溫差越大，傳熱溫差也越大，傳遞給空氣的熱量越多。從圖6、7中可看出，翅片壁面溫度變化最大的區(qū)域在70 mm的翅片長度以內。單純從傳熱角度，在風速為1.5 m/s時，翅片長度超過250 mm后壁面溫度變化很小，又由圖4可知，此時空氣溫度已經(jīng)達到最高溫升，從而翅片長度超過250 mm后傳熱溫差變化很小，傳熱性能不會繼續(xù)提高。從溫度云圖8、9可看出，在迎面風速為2.5 m/s時，翅片長度的改變對翅片溫度幾乎沒有影響，而在空氣側隨著翅片長度增加，出口空氣溫度增加，故而這部分空氣溫度的增加需要較長的翅片距離完成。從這點說明翅片長度的增加使后期翅片的傳熱效率降低，但隨著風速的提高，效率有所提高。

圖6 風速為1.5 m/s時翅片溫度沿空氣流動方向的分布

圖7 風速為2.5 m/s時翅片溫度沿空氣流動方向的分布

圖8 風速2.5 m/s翅片壁面溫度云圖 圖9 風速2.5 m/s中間層空氣溫度云圖

6 結 論

(1) 在不同的迎面風速下，翅片長度增大到一定值后，翅片壁溫變化不大，空氣溫度增加緩慢，此時通過增加翅片長度的手段來強化換熱性能收效甚微。

(2) 在低迎面風速下，傳熱能力較差，通過不斷增加翅片長度來增加帶走的熱量有限，此時翅片長度不宜過長。

(3) 在高迎面風速下，翅片壁溫和空氣溫度仍有溫差，而此時空氣出口溫度增加只能通過增加翅片長度來完成。

參考文獻：

[1] 丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術[M].太原：水力電力出版社，1992.

[2] 楊世銘.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].第二版.西安:西安交通大學出版社，2004.