翅化比對扁管翅片管性能的影響

盧 芳，苗 剛，張向南，常春梅，鄒建東，張彥軍

(甘肅藍(lán)科石油化工高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著對環(huán)保意識的提高，迫使人們減少污染排放，因此對能源的消耗造成了一定的沖擊，這在客觀上極大地促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究。隨著科技及工業(yè)發(fā)展的需要，要求換熱設(shè)備高效并小型化，翅片管換熱器成為人們關(guān)注較多的一種高效換熱器［1－2］。翅片管換熱器被廣泛地應(yīng)用于化工、制冷、空調(diào)、電站等工業(yè)領(lǐng)域，就電站空冷而言，循環(huán)水空冷器是電站空冷的一大組成部分，而翅片管作為循環(huán)水空冷器的主要核心元件，其性能的優(yōu)劣直接影響到循環(huán)水空冷器的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，因此優(yōu)化翅化比，分析翅片管周圍流體狀態(tài)成為了翅片管加工利用過程中的重要環(huán)節(jié)［3－5］。

目前有大量文獻(xiàn)對圓管翅片管進(jìn)行了詳細(xì)地研究和報(bào)道，然而對于扁管翅片管的研究相對較少。翅化比直接影響扁管翅片管的換熱面積，同時(shí)也影響了空氣側(cè)壓降［6－8］，因此翅化比直接影響到循環(huán)水空冷器的換熱系數(shù)以及風(fēng)機(jī)的選擇。鑒于目前有不少循環(huán)水空冷器采用扁管翅片管作為傳熱元件，文中將在確定翅片類型、翅片間距、管徑及材料等前提下，著重分析翅片高度不同引起的不同翅化比對扁管翅片管換熱的影響。

1 扁管翅片管模型與邊界條件

扁管翅片管的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，計(jì)算區(qū)域如圖2所示?；苤睆? mm，翅片長度200 mm，翅片厚度0.25 mm，翅片間距2.06 mm。

圖1 翅片管結(jié)構(gòu)示意

圖2 計(jì)算區(qū)域

文中選取了流體流動和傳熱充分發(fā)展的區(qū)域作為數(shù)值模擬對象，根據(jù)布管和管外翅片的對稱性，以及流體流動與傳熱的對稱性建立周期性單元流道計(jì)算模型。為保證無回流，在空氣流動的方向上，入口、出口分別作適當(dāng)?shù)难娱L。

采用分塊劃分、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本次計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k—ε湍流模型計(jì)算湍流參數(shù)的影響;采用SMPLE算法處理能量方程和動量方程的耦合問題。為保證求解精度，在求解過程中，當(dāng)連續(xù)性方程和動量方程的殘差達(dá)到10－3，能量方程的殘差達(dá)到10－6，且水的出口溫度和空氣出口溫度達(dá)到恒定狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂［9－10］。

文中分析建立在以下幾種假設(shè)的基礎(chǔ)之上。

(1)在基管長度方向上，空氣流經(jīng)每個(gè)翅片通道時(shí)為均勻分布;

(2)水冷卻過程為穩(wěn)態(tài)過程;

(3)空氣側(cè)的流動為不可壓縮流體的流動;

(4)忽略熱輻射;

(5)不考慮垢阻對換熱的影響。

表1列出邊界條件，表2列出介質(zhì)、材料物理性能。

表1 邊界條件

表2 介質(zhì)、材料物理性能

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3示出了翅化比β=14.83時(shí)空氣側(cè)速度矢量圖?？諝獬跏妓俣?即迎風(fēng)面風(fēng)速)為2.78 m/s，當(dāng)空氣進(jìn)入到翅片通道后，由于空氣的流通面積減小，空氣速度增加到3.8 m/s，且在背風(fēng)面存在尾流區(qū)，靠近基管外壁的空氣流速小，即在靠近基管外壁表層形成了邊界層。

圖3 β=14.83時(shí)空氣側(cè)速度矢量圖

圖4示出翅化比β=14.83時(shí)翅片溫度場分布，在翅片高度方向上，溫度隨著翅片高度的增加而減小。迎風(fēng)面的溫度梯度大于背風(fēng)面，這是因?yàn)榭諝鈩傔M(jìn)入到翅片通道時(shí)，空氣與翅片的溫差較大，其換熱較為劇烈;在空氣流動的方向上，隨著空氣與翅片換熱的進(jìn)行，空氣的溫度逐漸上升，而翅片的溫度則逐漸下降，兩者之間的溫差越來越小，換熱效果減弱。

圖4 β=14.83時(shí)翅片溫度分布圖

3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置［11］如圖5所示，由換熱單元、水泵、水箱以及加熱器組成一個(gè)水的循環(huán)系統(tǒng)。水從水箱內(nèi)進(jìn)入換熱單元進(jìn)行換熱后重新進(jìn)入水箱;冷空氣由風(fēng)機(jī)鼓入換熱單元進(jìn)行換熱后由出風(fēng)口流出。水的流量由閥門控制，并由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量，空氣的流量則由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并通過流量計(jì)監(jiān)測其流量。水的進(jìn)出口溫度、空氣進(jìn)出口溫度均有電子溫度計(jì)進(jìn)行測量。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意

本次試驗(yàn)所采用的換熱單元為翅化比β=14.83的扁管翅片管，測定了不同風(fēng)速對空氣側(cè)壓降和換熱系數(shù)的影響，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6，7所示。觀察圖6可以看出，隨著風(fēng)速的增加，空氣側(cè)的壓降增大，試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值基本吻合;由圖7可以看出，提高風(fēng)速其換熱系數(shù)增大，試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值基本吻合。經(jīng)計(jì)算，換熱系數(shù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5%～15%，空氣側(cè)壓降模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5% ～18%，證明了該模擬方法的正確性。

圖6 不同風(fēng)速對空氣側(cè)壓降的影響

圖7 不同風(fēng)速對換熱系數(shù)的影響

4 不同翅片高度對扁管翅片管性能的影響

采用相同的數(shù)值模擬方法，修改計(jì)算模型，分別建立翅化比為4.56，6.67，8.96，11.16，13.36，14.83，15.57，17.77，19.97 等 9 個(gè)計(jì)算模型，并對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

不同的翅化比對空氣側(cè)空氣流速的影響如圖8所示。在迎風(fēng)面風(fēng)量不變的情況下，隨著翅化比值的增大，翅片間空氣流速逐漸減小。這是由于在翅片厚度以及翅片間間距固定的情況下，隨著翅化比值的增高，其翅片的增高，翅片間空氣流通的面積增大，從而使得空氣在翅片間的流速減小。由圖8可以看出，隨著翅化比值的增高，翅片高度的增加，其空氣側(cè)邊界層厚度逐漸增加，這是因?yàn)槌崞g空氣流速越大，其湍流強(qiáng)度越大，從而減薄了邊界層厚度;反之，翅片間空氣流速越小，其湍流強(qiáng)度小，從而增加了邊界層厚度。圖9示出翅化比對空氣側(cè)壓降以及空氣流速的影響。從圖9可以看出，由于空氣側(cè)壓降與空氣流速成正比，所以隨著翅化比值的增加，翅片高度增加，空氣流速降低，空氣側(cè)壓降也逐步降低。

圖8 不同翅化比對空氣側(cè)空氣流速的影響

圖9 空氣流速及空氣側(cè)壓降與翅化比的關(guān)系曲線

圖10示出翅化比對翅片管換熱系數(shù)的影響。觀察圖10可以看出，在空氣迎風(fēng)面風(fēng)速不變的情況下，當(dāng)翅化比β＜13.36時(shí)，影響翅片管換熱系數(shù)的主要因素是換熱面積大小，翅片管的換熱面積隨著翅化比的增大而增大，所以翅片管的換熱系數(shù)也隨著翅化比的增大而增大;當(dāng)翅化比β≈13.36時(shí)，其換熱系數(shù)達(dá)到最大值;當(dāng)翅化比β＞13.36時(shí)，影響翅片管換熱的主要因素為翅片間空氣流動的速度，所以翅片管換熱系數(shù)隨著翅化比的增大而減小。

圖10 翅化比對翅片管換熱系數(shù)的影響

綜上所述，當(dāng)翅化比在13.36～14.83范圍內(nèi)時(shí)，扁管翅片管空氣側(cè)壓降為68.87～67.58 Pa，翅片管換熱系數(shù)為 28.46 ～27.67 W/(m2·K)，綜合考慮認(rèn)為，翅化比在13.36～14.83之間較為合理。

5 結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，換熱系數(shù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5%～15%，空氣側(cè)壓降模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差為5% ～18%，證明該模擬方法的正確性。在迎風(fēng)面風(fēng)速不變的情況下，空氣側(cè)壓降與翅化比成反比，隨著翅化比的增大，翅片間空氣流速降低，其湍流強(qiáng)度減弱，邊界層增厚，空氣側(cè)壓降降低;在翅化比β≤13.36時(shí)，換熱面積是影響扁管翅片管換熱系數(shù)的主要因素，隨著翅化比的增大換熱面積增大，換熱系數(shù)增大;在翅化比為13.36時(shí)，其換熱系數(shù)達(dá)到最大值;當(dāng)翅化比β＞13.36時(shí)，影響扁管翅片管換熱系數(shù)的主要因素為翅片間的風(fēng)速，隨著翅化比的增大翅片間風(fēng)速減小，其換熱系數(shù)減小。綜上所述，翅化比在13.36～14.83時(shí)扁管翅片管的性能達(dá)到最好，其空氣側(cè)壓降為 68.87 ～67.58 Pa，換熱系數(shù)為 28.46 ～27.67 W/(m2·K)。

［1］ 朱聘冠.換熱器原理及計(jì)算［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1987.

［2］ 何雅玲.對流換熱及其強(qiáng)化的理論與實(shí)驗(yàn)研究最新進(jìn)展［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［3］ 楊立軍，周健，杜小澤.扁平管蛇形翅片空間的流動換熱性能數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(1):122－124.

［4］ 施晨潔，陳亞平，施明恒.板翅式換熱器空氣冷卻側(cè)傳熱性能的數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(4):664－666.

［5］ 張向南，張彥軍，盧芳.空冷器板翅式傳熱元件翅片高度的優(yōu)化計(jì)算［J］.壓力容器，2014，31(7):22－24.

［6］ 康海軍，李斌，李慧珍，等.平直翅片管換熱器傳熱與阻力特征的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，28(1):91 －98.

［7］ 肖洪.橢圓管與扁管管板式換熱器換熱性能的分析比較［J］.節(jié)能技術(shù)，2006，3(24):265 －267.

［8］ 張權(quán)國.扁平翅片管數(shù)值模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(1):33 －35.

［9］ 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［10］ 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)(第2版)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［11］ 司子輝，張燕，康一亭，等.翅片管式換熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化［J］.化工進(jìn)展，2010，29(增刊):82 －86.