翅片間距對翅片管換熱性能影響分析

曾小林，林金國，童小川

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

翅片間距對翅片管換熱性能影響分析

曾小林，林金國，童小川

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

對環(huán)形翅片管的自然對流換熱過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，主要關(guān)注翅片間距對翅片管自然對流換熱過程的影響，結(jié)果表明：在給定結(jié)構(gòu)尺寸下，翅片間距達(dá)到10mm以上時(shí)，翅片間散熱不會(huì)相互影響；翅片間距在10mm以內(nèi)時(shí)，隨著翅片間距減小，翅片的表面換熱系數(shù)逐漸降低。

翅片管；表面換熱系數(shù)；翅片間距；自然對流

0 引言

翅片管是換熱設(shè)備中常用的換熱元件，當(dāng)換熱元件兩側(cè)換熱系數(shù)差異較大時(shí)，一般需要對換熱較弱側(cè)的換熱過程進(jìn)行強(qiáng)化[1]。在內(nèi)側(cè)介質(zhì)為蒸汽、外側(cè)介質(zhì)為空氣時(shí)，由于蒸汽冷凝換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣自然對流換熱系數(shù)，熱傳遞過程的最大熱阻在翅片管外表面，要改善翅片管的工作性能，必須從減小翅片管外表面的傳熱熱阻方面進(jìn)行考慮。

增大翅片管的外表換熱面積是減小翅片管外表面?zhèn)鳠釤嶙璧囊环N最為常見的措施，可以通過減小翅片間距或增大翅片高度來實(shí)現(xiàn)，并且兩種措施可能相互影響。國內(nèi)針對管外為自然對流使用工況翅片管結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了部分研究，但由于翅片管基管直徑小、翅片相對較低等[2,3]原因，研究成果不具備普適性。

由于受到條件限制，翅片管基管外徑及翅片高度經(jīng)常會(huì)無法調(diào)整，因此，增大翅片管外表面積只能通過減小翅片間距來實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，翅片表面換熱系數(shù)也是決定翅片管外表面?zhèn)鳠釤嶙璧年P(guān)鍵參數(shù)，其與翅片管外表面積一起決定翅片管的傳熱性能。翅片間距減小后，翅片間換熱可能相互干擾，導(dǎo)致翅片表面換熱系數(shù)降低，從而弱化增大翅片面積的效果。

通過數(shù)值模擬的手段對翅片管的自然對流換熱過程進(jìn)行了計(jì)算，著重分析了翅片間距對翅片管表面換熱系數(shù)的影響規(guī)律，并對翅片間距改變后翅片管外表面散熱情況進(jìn)行了分析。

1 翅片管結(jié)構(gòu)簡介

1.1 工作方式

翅片管以飽和蒸汽作為熱源，飽和蒸汽在翅片管內(nèi)壁冷凝釋放出汽化潛熱，熱量通過翅片管基管管壁導(dǎo)熱、翅片管外壁面自然對流及輻射等熱傳遞過程傳至加熱對象。

1.2 翅片管結(jié)構(gòu)

翅片管由內(nèi)管、翅片管基管和翅片組成，翅片管單元的結(jié)構(gòu)示意見圖1，內(nèi)管主要用于蒸汽輸送，不參與換熱過程。翅片管基管外徑為 60mm，翅片高度為22mm。

圖1 翅片管結(jié)構(gòu)示意圖

2 計(jì)算模型設(shè)置

2.1 計(jì)算域選取及坐標(biāo)設(shè)置

翅片管的特點(diǎn)是沿軸線方向結(jié)構(gòu)基本一致，因此，可以選取單片翅片作為計(jì)算對象，同時(shí)，對單片翅片而言，其結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件也是對稱的，為減小計(jì)算量，選取了1/4片翅片作為計(jì)算對象。

計(jì)算域內(nèi)空間尺寸的選取原則是：回流空氣不會(huì)對熱空氣流產(chǎn)生明顯影響。根據(jù)試算的結(jié)果，計(jì)算域空間尺寸設(shè)定為：長 250mm、寬 1/2翅片間距、高500mm。

坐標(biāo)設(shè)置為：長度方向?yàn)閤軸，寬度方向?yàn)閥軸，高度方向?yàn)閦軸，重力方向?yàn)?z軸方向。計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

2.2 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域邊界條件設(shè)置為：計(jì)算域厚度方向兩個(gè)面為對稱邊界條件，長度方向翅片側(cè)面為對稱邊界條件，另一面為絕熱邊界，計(jì)算域底面為絕熱邊界，計(jì)算域頂面為壓力出口邊界。

翅片管邊界條件為：翅片管內(nèi)壁為定溫邊界，其余與計(jì)算域重合面均為對稱邊界。翅片管邊界選取示意圖見圖3。

圖2 計(jì)算域及坐標(biāo)設(shè)置示意圖

圖3 翅片管邊界條件示意圖

2.3 邊界條件取值

分別對翅片管在環(huán)境溫度300K、350K和400K時(shí)的工作情況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域內(nèi)各邊界條件取值如下：

1）翅片管內(nèi)壁為定溫壁面邊界條件，T=500K；

2）計(jì)算域底面、側(cè)面邊界條件均為絕熱壁面，q=0w/m2；

3）壓力出口設(shè)定壓力 p=1atm，回流空氣溫度T=300K（350 K、400 K）。

2.4 計(jì)算模型

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，自然對流采用FLUENT中的Boussinesq假設(shè)進(jìn)行模擬，該模型適用于自然對流的模擬，在該模型中，除動(dòng)量方程中體積力項(xiàng)外，方程其余項(xiàng)中密度均認(rèn)為是常數(shù)，體積力項(xiàng)中密度由當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)溫度決定，由此可計(jì)算由于溫差所產(chǎn)生的浮升力。

能量方程、動(dòng)量方程中對流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分法進(jìn)行離散，擴(kuò)散項(xiàng)均采用中心差分法進(jìn)行離散。壓力－速度耦合采用SIMPLE算法。

2.5 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

計(jì)算域的離散采用四面體網(wǎng)格，在翅片管、翅片及翅片附近區(qū)域采用了較小的網(wǎng)格尺寸，遠(yuǎn)離翅片管處網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加大，以減小計(jì)算量。計(jì)算域翅片管附近區(qū)域網(wǎng)格情況見圖4。

圖4 翅片管附近網(wǎng)格劃分示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 翅片間距對翅片管表面換熱系數(shù)影響分析

共計(jì)算了10種翅片間距時(shí)翅片管外表面的平均換熱系數(shù)，為考慮環(huán)境溫度的影響，每種間距分別計(jì)算了環(huán)境溫度為300K、350K和400K三種情況，結(jié)果見圖5、表1。其中，平均表面換熱系數(shù)定義為：

式中，為平均表面換熱系數(shù)；∑q為翅片管外表面熱流密度（翅片及基管外表面換熱總和）；Twall為翅片管外壁面平均溫度；Tref為系統(tǒng)參考溫度。

從圖5、表1可見，改變翅片間距對翅片管平均表面換熱系數(shù)的影響規(guī)律為：翅片間距在10mm以內(nèi)時(shí)，隨著翅片間距的減小，翅片管散熱性能下降，平均表面換熱系數(shù)減??；翅片間距在10mm以上時(shí)翅片間散熱基本不會(huì)相互影響，平均表面換熱系數(shù)基本維持不變。

圖5 翅片間距對表面換熱系數(shù)的影響規(guī)律

表1 不同計(jì)算工況平均表面換熱系數(shù)，w/(m2K)

從翅片管附近溫度分布圖（圖6～圖9）可以看到，翅片間距過小時(shí)，相鄰翅片的熱邊界層相互重疊，而邊界層內(nèi)空氣流速較低、溫度較高，不利于翅片散熱，相鄰翅片熱邊界層疊加后，進(jìn)一步弱化了翅片的散熱。另外，翅片熱邊界層重疊后，熱空氣占據(jù)了較大范圍的翅片面積，導(dǎo)致冷空氣與翅片接觸面積減少，這也制約了翅片的散熱。間距足夠大時(shí)，翅片間的相互影響較小。

3.2 翅片間距對翅片管散熱性能影響分析

以（表面平均換熱系數(shù)×翅片管外表面積）表征翅片間距改變后翅片管外表面散熱性能的總體效果，并與翅片間距為10mm時(shí)的進(jìn)行比較，結(jié)果見表2～表4。

可見，在翅片管現(xiàn)有結(jié)構(gòu)（翅片間距10mm）前提下，減小翅片間距可以減小翅片管外表面換熱熱阻，增大翅片間距則由于換熱系數(shù)提高幅度有限，反而會(huì)增大翅片管外表面換熱熱阻，不利于散熱。

圖6 翅片間距5mm溫度分布圖（環(huán)境溫度300K）

圖7 翅片間距5mm溫度分布圖（局部放大圖）

圖8 翅片間距22mm溫度分布圖（環(huán)境溫度300K）

圖9 翅片間距22mm溫度分布圖（局部放大圖）

表2 計(jì)算工況及結(jié)果表，300K

表3 計(jì)算工況及結(jié)果表，350K

表4 計(jì)算工況及結(jié)果表，400K

4 結(jié)束語

1）翅片間距對翅片表面換熱系數(shù)影響較大，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸前提下，翅片間距在 10mm以內(nèi)時(shí)，隨著翅片間距減小，表面換熱系數(shù)降低，翅片間距在10mm以上時(shí)，翅片間表面換熱基本不會(huì)相互影響。

2）減小翅片間距后，翅片管外表面積增加，但表面換熱系數(shù)降低，綜合來看，減小翅片間距可以在一定程度上減小翅片表面的換熱熱阻，其效果隨著環(huán)境溫度的提高而逐漸減弱。

3）增大翅片間距后，翅片表面換熱系數(shù)提高幅度有限，而由于間距增大后，翅片外表面積減小，綜合看不利于翅片管散熱。

4）翅片管外表面積和翅片表面換熱系數(shù)是決定翅片管對流換熱的兩個(gè)主要因素。在確定翅片管換熱器的翅片間距時(shí)，應(yīng)綜合考慮二者對翅片管換熱性能的影響。

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)(第四版)[M]. 北京:高度教育出版社, 2006.

[2] 任洪娟, 劉愛萍. 基于PHOENICS螺旋翅片管的數(shù)值研究[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004(6): 61-63.

[3] 程菲, 蘇保玲. 翅片管的傳熱分析及其表面幾何參數(shù)的優(yōu)化[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2003(4):44-48.

Research on the Influence of Fin Spacing to the Heat Transfer Performance of Finned Tube

ZENG Xiao-lin, LIN Jin-guo, TONG Xiao-chuan
(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

Numerical analysis is performed on the natural convection of the finned tube. The influence of the fin spacing to the heat transfer performance of the finned tube is mostly concerned. The result shows that, under the given structure, the heat transfer of the fins will not affect each other when the fin spacing exceeds 10 millimeters，otherwise, the heat transfer performance will be reduced with the decrease of the fin spacing.

finned tube; heat transfer coefficient; fin spacing; natural convection

TK172.4

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.017

曾小林（1977-），男，碩士，研究方向：熱能與動(dòng)力工程。