間接空氣冷凝擴(kuò)展表面換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

安恩科，張瀏駿，馮 祥

(上海同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804)

受益于節(jié)能環(huán)保以及振興我國裝備制造業(yè)的政策支持，間接空冷系統(tǒng)市場前景廣闊，它采用空氣冷卻，由噴射式或表面式凝汽器、空冷散熱器和自然通風(fēng)空冷塔構(gòu)成，節(jié)水性能顯著，適合我國缺水而煤炭資源豐富的三北地區(qū)，特別適合大型的火力電站。另一方面，空冷機(jī)組在運(yùn)行的過程中也受到諸多因素的制約，如現(xiàn)場風(fēng)向風(fēng)速作用、環(huán)境溫度、及周邊障礙物的影響；直接空冷系統(tǒng)中的熱風(fēng)再循環(huán)現(xiàn)象；空冷凝汽管束表面積灰等。因此，空冷設(shè)備在用材經(jīng)濟(jì)的原則下，需要通過肋片表面強(qiáng)化、管內(nèi)側(cè)強(qiáng)化、管片緊貼等多方面綜合研究，盡可能提高其工作效率。

在空冷換熱器中，空氣側(cè)的換熱系數(shù)比管內(nèi)流體的換熱系數(shù)低，近年來,人們研究了不少對換熱器翅片強(qiáng)化傳熱的方法，其中對換熱器翅片進(jìn)行開縫就是一種強(qiáng)化空氣側(cè)傳熱的有效方法。這是因?yàn)檠亓鲃臃较蛏铣崞倪吔鐚雍穸仁窃黾拥?從而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)沿流動方向減小。在翅片上開縫可以破壞翅片上的邊界層,減小邊界層的厚度。針對各種開縫形式翅片管外空氣流動傳熱特性，C．T．Hsieh等[1]對3D百葉窗翅片管換熱器百葉窗傾角對傳熱與流動的影響進(jìn)行了分析。錢力等[2]對X型開縫翅片的流動與傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并把計(jì)算結(jié)果與平片和開縫翅片的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。何緯峰等[3]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，對不同迎面風(fēng)速下單排及雙排翅片管換熱器的阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。楊立軍等[4]利用對流換熱的綜合性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對6種翅片管束的流動傳熱性能進(jìn)行了比較。李惠珍等[5]對2排X型雙向開縫翅片管換熱器空氣側(cè)的傳熱及阻力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

從已有的文獻(xiàn)來看，研究主要集中在對不同開縫類型的翅片進(jìn)行對比分析，但對開縫翅片自身結(jié)構(gòu)變化對其表面特性影響的研究卻很少，本文以電站間冷系統(tǒng)橋型開縫鋁翅片為對象，通過改變管徑大小，翅片板厚度，單雙面開橋三種不同的自身結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算流體動力學(xué)軟件FLUENT對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管外空氣側(cè)流動特性，進(jìn)而得出迎面風(fēng)速與換熱及阻力特性的分布規(guī)律，為空冷散熱器選型以及間接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 物理模型和運(yùn)行參數(shù)

本文研究對象是矩形開槽套片式鋁翅片管束，即在平直翅片表面制出許多橋形槽縫，結(jié)構(gòu)示意及單、雙橋俯視圖如圖1所示。

矩形開槽套片式鋁翅片3種結(jié)構(gòu)尺寸分別如表1所示。

2 數(shù)值求解

2.1 網(wǎng)格劃分

由于翅片開縫比較復(fù)雜，采用分塊劃分、局部細(xì)化等方法，在進(jìn)出口區(qū)域，基管處存在彎曲程度較大的部分，采用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而在空氣流經(jīng)翅片的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在管壁面及翅片表面附近采用邊界層網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格較為密集；遠(yuǎn)離壁面及翅片面的流體區(qū)域，則采用較為稀疏的網(wǎng)格，以達(dá)到節(jié)省計(jì)算時間，提高計(jì)算精度的目的。通過對翅片段非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不斷加密，檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性[6]。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖和單、雙橋俯視圖

表1 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸

table 1 heat exchanger size

結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3翅片和管束材料鋁1050A鋁1050A鋁1050A翅片外形(長*寬*厚)(mm)1200×136×0.51200×136×0.31200×136×0.3管徑(mm)?24×0.8 ?26×0.8?24×0.8 ?26×0.8?24×0.6 ?26×0.6 翅片厚度(mm)0.50.30.3翅片間距(mm)444管間距(S1)(mm)686868管間距(S2)(mm)343434槽縫寬(mm)2.52.52.5槽縫凈高(mm)1.31.51.5槽縫間距(mm)4.04.04.0管內(nèi)水溫(℃)454545

翅片管束采用叉排布置，考慮其結(jié)構(gòu)的對稱性，在空氣流動方向?yàn)樗呐殴?，?jì)算區(qū)域取周期性通道。為防止入口段影響以及避免出口邊界有回流現(xiàn)象，將計(jì)算區(qū)域在入口邊界和出口邊界處進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L。

2.2 邊界條件

入口設(shè)置為速度進(jìn)口，在整個截面上來流空氣的速度均勻分布，溫度均勻分布，來流空氣溫度為15～35℃；出口邊界沒有回流發(fā)生，設(shè)為壓力出口條件；翅片采用自身導(dǎo)熱和表面對流換熱的耦合方式；由于管內(nèi)流體溫升較小，因此，將圓管內(nèi)壁面設(shè)為等溫條件，壁面速度為0；其余表面均設(shè)置為對稱邊界。

2.3 數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)處理

對模型計(jì)算做如下假設(shè)：

(1)入口處空氣速度、溫度均勻分布，流動與換熱的過程是穩(wěn)態(tài)的；

(2)空氣流動滿足Boussinesq假設(shè)；

(3)不考慮圓基管與翅片的輻射換熱，忽略基管與翅片之間的接觸熱阻，認(rèn)為翅片根部溫度與管外壁面溫度相同；

(4)在不同溫度下，空氣密度不同，但就某一個計(jì)算工況而言，可以假定空氣密度不變，認(rèn)為空氣是不可壓縮氣體，空氣的比熱容為定值；

(5)翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。

鋁翅片管束以肋壁側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：

其中，β為肋化系數(shù)，A2為管外換熱面積，h1為管內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)，h2為管外表面的對流換熱系數(shù)，d為管的當(dāng)量直徑，δ為管壁厚度。

3 計(jì)算結(jié)果及比較

3.1 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)1傳熱系數(shù)和阻力與空氣速度之間關(guān)系

對于換熱器結(jié)構(gòu)1模型的傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

從表2可以看出，采用大管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)相對變化為-5.775×10-4～1.444×10-5，采用小管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)的相對變化為1.567×10-5～9.922×10-5，采用單橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.431%～1.452%，采用雙橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.373%～1.431%。

表2 結(jié)構(gòu)1傳熱系數(shù)比較

Table 2 heat transfer coefficient Comparison of structure 1

空氣速度傳熱系數(shù)大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)k1(W/m2·K)k2(W/m2·K)k3(W/m2·K)k4(W/m2·K)1.536.8906006436.3626474236.891133536.363217062.561.4843343960.6044123761.4488283160.604887073.586.0787463484.8461773286.0780681584.85459594

表3 結(jié)構(gòu)1空氣側(cè)阻力比較

Table 3 Air-side resistance Comparison of structure 1

空氣速度空氣側(cè)阻力大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)ΔP1(Pa)ΔP2(Pa)ΔP3(Pa)ΔP4(Pa)1.516.2596716.54409816.771916.263322.544.62220842.73430345.97255344.6141093.586.80811383.24008289.4518286.826866

表4 結(jié)構(gòu)2傳熱系數(shù)比較

Table 4 heat transfer coefficient Comparison of structure 2

空氣速度空氣側(cè)換熱系數(shù)大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)h1(W/m2·K)h2(W/m2·K)h3(W/m2·K)h4(W/m2·K)1.536.823211536.296989936.824017436.29674692.561.3720191760.4947806761.3723291360.494476933.585.9216947284.6926929385.923575284.6922677

對于換熱器結(jié)構(gòu)1模型的空氣側(cè)阻力與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

從表3可以看出，采用大管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對增大1.377%～3.045%，采用小管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對增大0.02245%～4.309%，采用單橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大1.719%～4.231%，采用雙橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大2.934%～3.032%。

3.2 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)2傳熱系數(shù)和阻力與雷諾數(shù)(空氣速度)之間關(guān)系

對于換熱器結(jié)構(gòu)2模型的傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

從表4可以看出，采用大管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)相對變化為5.051×10-6～2.189×10-5，采用小管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)相對變化為

-6.695×10-6～-5.021×10-6，采用單橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.434%～1.451%，采用雙橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.430%～1.433%。

對于換熱器結(jié)構(gòu)2模型的空氣側(cè)阻力與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

表5 結(jié)構(gòu)2空氣側(cè)阻力比較

Table 5 Air-side resistance Comparison of structure 2

空氣速度空氣側(cè)阻力大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)ΔP1(Pa)ΔP2(Pa)ΔP3(Pa)ΔP4(Pa)1.514.45696813.9983914.9985114.673072.540.01501838.8138242.29441140.692053.578.36862976.0154482.83789876.69563

從表5可以看出，采用大管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對增大3.746%～5.703%，采用小管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對增大0.894%～4.839%，采用單橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大3.001%～3.172%，采用雙橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大2.170%～7.415%。

3.3 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)3換熱系數(shù)和阻力與雷諾數(shù)(空氣速度)之間關(guān)系

對于換熱器結(jié)構(gòu)3模型的傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

從表6可以看出，采用大管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)相對變化為-2.977×10-4～1.813×10-3，采用小管徑時，翅片雙橋的傳熱系數(shù)比單橋的傳熱系數(shù)相對變化為-3.193×10-3～0，采用單橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.227%～2.456%，采用雙橋時，大管徑的傳熱系數(shù)比小管徑的傳熱系數(shù)相對增大1.321%～2.643%。

對于換熱器結(jié)構(gòu)3模型的空氣側(cè)阻力與雷諾數(shù)的關(guān)系匯總?cè)绫?所示。

表6 結(jié)構(gòu)3傳熱系數(shù)比較

Table 6 heat transfer coefficient Comparison of structure 3

空氣速度空氣側(cè)換熱系數(shù)大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)h1(W/m2·K)h2(W/m2·K)h3(W/m2·K)h4(W/m2·K)1.542.523241542.0013008642.600332441.867182.559.6028091758.1388605159.5850673258.010181893.578.3593733277.3141059578.3491917577.31410595

表7 結(jié)構(gòu)3空氣側(cè)阻力比較

Table 7 Air-side resistance Comparison of structure 2

空氣速度空氣側(cè)阻力大管單橋小管單橋大管雙橋小管雙橋V(m/s)ΔP1(Pa)ΔP2(Pa)ΔP3(Pa)ΔP4(Pa)1.512.75055111.64586612.181611.9238752.521.80217620.10653421.60549920.0604363.533.87634331.82049633.58698731.166054

從表7可以看出，采用大管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對變化為-4.462%～-0.8542%，采用小管徑時，雙橋翅片管的阻力比單橋的阻力相對變化為-2.057%～2.387%，采用單橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大6.069%～8.664%，采用雙橋時，大管徑的阻力比小管徑的阻力相對增大2.116%～7.208%。

4 結(jié)論

本文從翅片換熱特性和阻力特性兩個方面通過改變管徑大小，翅片板厚度，單雙面開橋三種不同的自身結(jié)構(gòu)鋁翅分析比較發(fā)現(xiàn)：

(1)當(dāng)管徑相同時，單橋翅片管與雙橋翅片管的換熱面積基本相同，傳熱系數(shù)基本相同(小于0.2%)，雙橋的阻力比單橋的阻力略大(小于6%)。

(2)采用單橋翅片管時，大管的傳熱系數(shù)比小管的傳熱系數(shù)略大(小于3%)，阻力也相應(yīng)增大(9%)。

(3)采用雙橋翅片管時，大管的傳熱系數(shù)比小管的傳熱系數(shù)略大(小于3%)，阻力也相應(yīng)增大(小于8%)。

(4)翅片從0.3減為0.27時，傳熱系數(shù)基本相同(小于0.3%)，阻力減小8%～19%。

(5)綜上所述，雙橋與單橋結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)基本相同，而阻力有所增大；大管時傳熱系數(shù)變化小于5%，而阻力增大接近10%；翅片減薄時，傳熱系數(shù)不變，而阻力減小明顯。

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