非對(duì)稱翅片管換熱器的實(shí)驗(yàn)及流場分析

王云雷 楊心慰 劉博濤 時(shí) 穎

(1.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院;2.河北建筑工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,河北 張家口 075000)

非對(duì)稱翅片管換熱器的實(shí)驗(yàn)及流場分析

王云雷1楊心慰1劉博濤1時(shí) 穎2

(1.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院;2.河北建筑工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,河北 張家口 075000)

提出設(shè)計(jì)一種新型非對(duì)稱翅片管式換熱器，通過對(duì)非對(duì)稱式翅片管不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其傳熱過程和傳熱效果.通過對(duì)傳熱系數(shù)的計(jì)算，比較其與環(huán)狀翅片管管束和光管管束的傳熱性能.并且利用ANSYS對(duì)三種換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其流場.結(jié)果表明：非對(duì)稱翅片管對(duì)流體的擾動(dòng)要強(qiáng)于環(huán)狀翅片管和光管，在相同參數(shù)條件下，非對(duì)稱翅片管換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管和光管式換熱器.

非對(duì)稱翅片管；換熱效果;流場分析

0 引 言

翅片管式換熱器在動(dòng)力、化工、制冷等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[1]，用翅片擴(kuò)大換熱管表面積和促進(jìn)介質(zhì)的紊流，從而提高傳熱效率，直至目前這一方法仍是所有各種管式表面強(qiáng)化傳熱方法中運(yùn)用最為廣泛的一種.幾十年來，人們?cè)诟倪M(jìn)翅片形狀、管束排列方式等方面進(jìn)行了大量研究[2-10].

按翅片表面形式的分布，換熱器可分為對(duì)稱翅片和非對(duì)稱翅片.非對(duì)稱翅片主要包括管中心距翅片兩邊距離不相等的非對(duì)稱翅片和開縫形式非對(duì)稱的翅片[11].目前，關(guān)于開縫式非對(duì)稱翅片管換熱性能的數(shù)值模擬的研究有一些[12-14]，但是對(duì)管中心距翅片兩邊距離不相等的非對(duì)稱翅片的研究卻不是很多，這種非對(duì)稱翅片符合上述強(qiáng)化傳熱的方法.因此，本文設(shè)計(jì)了一種設(shè)計(jì)非對(duì)稱翅片管換熱器，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且通過數(shù)值模擬分析其流場，研究其強(qiáng)化傳熱.

1 換熱器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[15]

1.1 換熱器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的非對(duì)稱翅片的形狀和管束排布如圖1、2和3，箭頭方向?yàn)闅怏w來流方向.

圖1 非對(duì)稱翅片形狀及尺寸圖2 非對(duì)稱翅片管束排布 圖3 非對(duì)稱翅片管束排布尺寸

11根鑄鐵材料的翅片管錯(cuò)列分布，第一層和第三層各有4根管子，中間一層3根管子，中間層的管束與上下兩層錯(cuò)列布置，并且其翅片與上下兩層的翅片叉排布置，組成換熱器.每層管束之間用連箱連接，并聯(lián)在一起.熱水由一側(cè)進(jìn)入，由三根管子分別進(jìn)入三層管束，從另一側(cè)流出匯集到一起返回水箱.

在翅片頂端及根部布置測點(diǎn)，并且用K型熱電偶對(duì)測點(diǎn)、換熱器水側(cè)和空氣側(cè)進(jìn)出口進(jìn)行溫度測量，并且為確保準(zhǔn)確性，多次測量求得平均值.

對(duì)流換熱系數(shù)采用計(jì)算式：

h=φ/AΔt

(1)

式中：φ——換熱量；A——換熱面積；Δt——傳熱溫差.

實(shí)驗(yàn)流程：水在水箱中經(jīng)過加熱，通過水泵進(jìn)入換熱器的管束中，風(fēng)機(jī)直吹換熱器表面，翅片延伸方向迎著來流空氣，空氣與翅片和水形成強(qiáng)制對(duì)流換熱，水從換熱器出口流出，流回水箱.

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

工況1工況2工況3工況4水進(jìn)口溫度/℃54626464風(fēng)速/m/s3.683.683.681.64

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)做了一下4種工況：

以非對(duì)稱翅片管換熱器翅片管總表面積A(A=0.881m2)為基準(zhǔn)求得對(duì)流換熱系數(shù)ht，以光管外表面積As(As=0.414 7m2)為基準(zhǔn)求得對(duì)流換熱系數(shù)hs，如表2.

為了對(duì)比，根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]和[17]中推薦的公式分別對(duì)相同參數(shù)條件下的光管管束和環(huán)形翅片管管束的換熱系數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算.由于文獻(xiàn)中所給公式是在最佳條件下所得，因此理論計(jì)算光管和環(huán)形翅片管束的對(duì)流換熱系數(shù)要優(yōu)于對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果.對(duì)比結(jié)果如下：

1)相同參數(shù)條件下，非對(duì)稱翅片管換熱效果優(yōu)于光管管束.

圖5 傳熱系數(shù)對(duì)比圖

2)相同參數(shù)條件下，非對(duì)稱翅片管換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管束.

圖6 傳熱系數(shù)對(duì)比圖

2 流場分析

2.1 流體模型

為了更好地進(jìn)行理論分析，選取了所有管子的一段，利用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其進(jìn)行流場分析，其中上下兩排帶兩個(gè)翅片，中間一排載有一個(gè)翅片.如圖7.

流體模型為長方體：x:-0.17～0.07m;y:-0.21～0.07m;z:-0.001～0.029m布爾運(yùn)算Substract減去中間的翅片管模型，得到流體模型，如圖8.

圖7a側(cè)視圖 圖7b主視圖

由于非對(duì)稱肋片的不規(guī)則形狀，因此采用自由網(wǎng)格free的劃分形式.網(wǎng)格結(jié)果如圖9.

2.2 結(jié)果分析

為了更好的進(jìn)行分析，相同條件下，對(duì)環(huán)狀翅片管以及光管換熱器也進(jìn)行了數(shù)值模擬.

1)與環(huán)狀翅片管進(jìn)行對(duì)比.

對(duì)風(fēng)速3.68m/s情況流場進(jìn)行模擬，z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度云圖如下：

圖8 流體模型 圖9 網(wǎng)格劃分

圖10a非對(duì)稱翅片速度云圖 圖10b環(huán)狀翅片速度云圖

由圖10可以看出，環(huán)狀翅片管束的藍(lán)色部分速度很小、接近為零的尾流區(qū)比非對(duì)稱翅片管束的多，說明環(huán)狀翅片管束中，低速旋渦區(qū)中的尾跡流與分流束之間的混合沒有非對(duì)稱翅片管強(qiáng)，從而更加影響換熱效果，進(jìn)而證明了非對(duì)稱翅片管的換熱優(yōu)于環(huán)狀翅片管.

z=0.001m(翅片所在截面)截面的速度云圖如下：

圖11a非對(duì)稱翅片管速度云圖圖11b環(huán)形翅片管速度云圖

由以上兩圖可知，在翅片所在平面，環(huán)形翅片管束中速度變化較小，而非對(duì)稱翅片管束中速度變化相對(duì)劇烈，擾動(dòng)更強(qiáng)，可以加強(qiáng)換熱效果.

2)與光管管束對(duì)比.

在風(fēng)速為3.68m/s條件下，對(duì)光管管束進(jìn)行流場模擬，其結(jié)構(gòu)尺寸與非對(duì)稱翅片管束相同.z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度矢量圖如下：

圖12a非對(duì)稱翅片管速度矢量圖 圖12b光管管束速度矢量圖

z=0.001m(翅片所在截面)截面時(shí)的速度矢量圖如下：

圖13a非對(duì)稱翅片管速度矢量圖 圖13b光管管束速度矢量圖

由以上四圖可以看出，在z=0.006m截面時(shí)，二者的尾流區(qū)大致相同，而在z=0.001m時(shí)，非對(duì)稱翅片管束的尾流區(qū)減小，而且非對(duì)稱翅片管束中的速度變化較大，最高速度達(dá)到12.16m/s，光管管束速度變化則相對(duì)較小，最大速度為7.1m/s.因此，在非對(duì)稱翅片管束中，流體的擾動(dòng)要強(qiáng)于光管管束，換熱較好.

3 結(jié) 論

1)實(shí)驗(yàn)證明了在一定條件下，非對(duì)稱翅片管式換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管以及普通光管式換熱器.

2)通過進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)所設(shè)計(jì)的換熱器進(jìn)行流場分析，從理論上證明了在非對(duì)稱翅片管換熱器中，流體的擾動(dòng)效果較好，證明了該種換熱器的優(yōu)越性.

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The Experiment and Analysis of Flow Field on Asymmetrical Finned Tube

WANGYun-lei1，YANGXin-wei1，LIUBo-tao1，SHIYing2

(1.School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Architecture;2.College of Economic and Management,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 07500)

In this paper,a new kind of asymmetrical finned tube heat exchanger is introduced.The heat-transferring process and effect of asymmetrical finned tube in four working conditions are studied by experiment.Its heat-transferring performance is compared with ring-fin tube and smooth tube through the calculation of the heat-transferring coefficient.The three kinds of heat exchanger are simulated by using ANSYS and their flow field is analyzed.The results show that the flow disturbance of asymmetrical finned tube is stronger than ring-fin tube and smooth tube,and the heat-transferring effect of asymmetrical finned tube is better than the other two in the same parameters.

asymmetrical finned tube;heat-transferring effect;flow field

2016-05-20

王云雷(1990-)，女，熱能工程.

TU 83

A