橢圓H型翅片管壓降與換熱特性數(shù)值模擬

韓　筱, 曹絳敏, 張姣陽

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上?！?00090)

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橢圓H型翅片管壓降與換熱特性數(shù)值模擬

韓筱, 曹絳敏, 張姣陽

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:利用商業(yè)軟件Fluent模擬了煙氣在不同流速下流經(jīng)橢圓H型翅片管的流動(dòng)和換熱過程.利用軟件生成了翅片的溫度分布云圖和煙氣的速度云圖，比較分析了在不同煙氣流速下,翅片的開縫情況對(duì)翅片管換熱以及阻力特性的影響.結(jié)果表明,橫開縫的橢圓H型翅片管與縱開縫的相比,其傳熱效率更高,阻力更小.

關(guān)鍵詞：FLUENT軟件; 橢圓H型翅片管; 換熱; 阻力

橢圓H型翅片管可以應(yīng)用于水媒煙氣換熱器系統(tǒng)(Mitsubishi Gas Gas Heater,MGGH)的換熱器,其管外的煙氣流動(dòng)和換熱特性將直接影響整個(gè)MGGH系統(tǒng)的性能,從而對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性以及SO3和粉塵的脫除產(chǎn)生巨大的影響.而且H型翅片管的溝槽結(jié)構(gòu)特殊,具有傳熱效率高、防積灰、抗磨損等特點(diǎn)[1].因此,深入了解翅片管管外煙氣側(cè)的流動(dòng)與傳熱特性,探討傳熱強(qiáng)化途徑,是進(jìn)一步提高M(jìn)GGH系統(tǒng)換熱性能、減少SO3和粉塵排放的基礎(chǔ).

前人對(duì)于橢圓矩形翅片管的換熱和阻力特性已經(jīng)做出了一些研究.胡俊偉等人[2]研究了低速情況下,開縫對(duì)換熱和壓降的影響.屈治國等人[3]對(duì)翅片管換熱器中廣泛使用的平直開縫翅片的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬.李飛等人[4]對(duì)橫開縫的橢圓H型翅片換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.但是大部分研究只對(duì)不開縫的橢圓H型翅片管和橫開縫的橢圓翅片管的換熱和阻力特性進(jìn)行了分析計(jì)算,沒有對(duì)縱開縫的橢圓H型翅片管進(jìn)行對(duì)比.

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)橫開縫和縱開縫的橢圓H型翅片管的換熱與阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬.分析在5~15 m/s的煙氣流速下,翅片管的換熱效率及阻力特性.

1理論分析

1.1物理模型及數(shù)學(xué)描述

本文所采用的橢圓矩形H型翅片管，其管基長軸為40 mm,短軸為24 mm,翅片長80 mm,寬80 mm,翅片間距為20 mm.橫開縫橢圓H型翅片管在橢圓管長軸方向開寬度為10 mm的縫隙,豎開縫為在橢圓管短軸方向開寬度為10 mm的縫隙,如圖1所示.

本文所計(jì)算模型的選取:以同管相鄰的兩翅片中心為邊界,以翅片為中心建立一個(gè)計(jì)算單元.為了防止入口處的入口效應(yīng)和出口處的回流效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響,將橫向和縱向計(jì)算區(qū)域延長為160 mm.對(duì)于計(jì)算模型的假設(shè)如下:

(1) 計(jì)算區(qū)域中的流動(dòng)和傳熱是穩(wěn)態(tài)的;

(2) 假設(shè)煙氣為不可壓流體,煙氣的物性參數(shù)為采用線性差值計(jì)算的413 K的參數(shù)[5].

在直角三維坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算,控制方程[6]的張量形式如下.

連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

能量方程為:

式中:ρ——流體的密度;

ui,uk——流體速度,i,k=1,2,3;

xi,xk——坐標(biāo)，i，k=1，2，3;

μ——流體粘度;

p——流體壓力;

T——流體溫度;

Cp——流體的比熱容;

k——耗散系數(shù).

1.2邊界條件及計(jì)算方法

入口的煙氣設(shè)置為速度入口條件,溫度為413 K;出口的邊界條件為自由流量出口;翅片表面與煙氣接觸面采用流固耦合進(jìn)行處理;橢圓管外壁溫度設(shè)置為390 K,其余邊界條件采用周期性邊界條件;翅片及橢圓管采用普通鋼材.煙氣的溫度和橢圓管外壁溫度均為MGGH系統(tǒng)在普通工況運(yùn)行下的溫度.

采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行計(jì)算,湍流模型采用k-ε模型,方程的離散采用二階迎風(fēng)格式,壓力與速度的耦合關(guān)系采用一階Simple算法.

此計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)量為4×105,在計(jì)算過程中,嘗試把網(wǎng)格數(shù)量增加為6×105,網(wǎng)格類型不變,其計(jì)算出來的換熱量和壓降偏差均小于3%,因此認(rèn)為此結(jié)果是可信的.

2計(jì)算變量的定義

換熱量為:

式中:Q——管外側(cè)換熱量,W;

Qin——入口煙氣攜帶熱量,W;

Qout——出口煙氣攜帶熱量,W.

壓降為:

式中:pin——入口壓力,Pa;

pout——出口壓力,Pa.

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1橢圓H翅片管的傳熱性能分析

本文在迎面風(fēng)速v為5~15 m/s工況下,對(duì)橫開縫和縱開縫翅片的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,并繪制了換熱量的曲線,如圖2所示.

由圖2可知,隨著迎面煙氣流速的增加,橫開縫和縱開縫的橢圓H型翅片管的換熱量都在隨之增大,而橫開縫的換熱量始終大于縱開縫的換熱量.

3.2橢圓H翅片管的阻力性能分析

對(duì)橫開縫和縱開縫翅片的傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬,可以得出其阻力特性曲線,如圖3所示.

由圖3可知,在入口速度為5 m/s時(shí),橫開縫的壓降和縱開縫的壓降基本一致,而隨著速度的增加,其壓降的差值逐漸增加.橫開縫的壓降要明顯小于縱開縫的壓降.

3.3綜合分析

圖4為兩種翅片管翅片表面的等溫線圖,圖5為入口流速為9 m/s時(shí),距離翅片1 mm處速度場的分布情況.

由圖5中等速線可知,在翅片后,縱開縫的渦流比橫開縫的渦流影響范圍要大，因此橫開縫翅片對(duì)煙氣流動(dòng)的阻力比縱開縫的大.縱開縫管后的渦流要比橫開縫的寬,而管子和煙氣之間的溫度梯度很大,這一部分影響了縱開縫翅片管的換熱.因此，縱開縫翅片管的換熱要弱于橫開縫翅片管.

4結(jié)論

(1) 在煙氣流速為5~15 m/s的流動(dòng)區(qū)間內(nèi),橫開縫橢圓H型翅片管的傳熱性能要優(yōu)于縱開縫的橢圓H型翅片管.

(2) 在煙氣流速為5~10 m/s的流動(dòng)區(qū)間內(nèi),橫開縫橢圓H型翅片管的阻力要小于縱開縫的橢圓H型翅片管.

(3) 在MGGH的煙冷器中建議選用橫開縫

的橢圓H形翅片管.

參考文獻(xiàn)：

[1]吳艷艷,孫奉仲,李飛,等.H型翅片管束空氣流動(dòng)及換熱特性[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2014,44(6):90-94.

[2]胡俊偉,丁國良.開縫翅片壓降和換熱特性的數(shù)值模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(10):1 639-1 642.

[3]屈治國,何雅玲,陶文銓.平直開縫翅片傳熱特性的三維數(shù)值模擬及場協(xié)同原理分析 [J].工程熱物理學(xué)報(bào),2003,24(5):825-827.

[4]李飛,史月濤,孫奉仲,等.H 型翅片橢圓管束傳熱及阻力特性的試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(14):2 261-2 265.

[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].第4版.北京:高等教育出版社,2006:560-560.

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].第2版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2002:2-5.

(編輯白林雪)

Numerical Simulation of Pressure Drop Performance and HeatTransfer Performance of H-type Finned Elliptical TubeHAN Xiao, CAO Jiangmin, ZHANG Jiaoyang

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090)

Abstract:The process of flowing and heat exchanging through H-type finned elliptical tube of flue gas is simulated with FLUENT.The temperature and velocity distribution is created with software.The performance of pressure drop and heat transfer affected by the different slotting style is analyzed among different velocity of the flue gas.The results show that the transverse-slotted H-type finned elliptical tube has a higher heat transfer efficiency and a lower pressure drop than the longitudinal-slotted one.

Key words:FLUENT software; H-type finned elliptical tube; heat transfer; resistance

中圖分類號(hào)：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0012-03

通訊作者簡介：韓筱(1989-),男,在讀碩士,河南漯河人.主要研究方向?yàn)榈偷蜏仉姵龎m技術(shù).E-mail:hanxiao589@126.com.

收稿日期：2015-06-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.004