翅片管強制對流散熱器散熱量確定方法

田 瑞，趙樹興，金 陽，馬巧燕，杜 赫，沈明月

（1.天津城建大學，天津 300384；2.河北大地建設科技有限公司，石家莊 050021；3.北京住總房地產開發(fā)有限責任公司，北京 100020）

能源與機械

翅片管強制對流散熱器散熱量確定方法

田 瑞1，趙樹興1，金 陽2，馬巧燕3，杜 赫1，沈明月1

（1.天津城建大學，天津 300384；2.河北大地建設科技有限公司，石家莊 050021；3.北京住總房地產開發(fā)有限責任公司，北京 100020）

在研究分析翅片管內、外換熱特性及其計算方法的基礎上，通過對翅片管內水側換熱的理論計算和翅片管外空氣側換熱的數(shù)值模擬分析，提出了一種用來確定不同結構參數(shù)時翅片管強制對流散熱器散熱量的有效方法并進行了實驗驗證分析，同時給出了該方法的應用算例.

翅片管強制對流散熱器；理論計算；數(shù)值模擬；散熱量

翅片管強制對流散熱器是一種新型高效的供暖系統(tǒng)末端裝置.近年來，為了使其更加節(jié)能、高效、緊湊，研究人員試圖對其結構進行創(chuàng)新與優(yōu)化.

在進行結構優(yōu)化研究中，翅片管強制對流散熱器散熱量的確定，既是重點又是難點.翅片管強制對流散熱器的熱量傳遞過程主要包括管內熱水與翅片管內壁間的對流傳熱過程、翅片管內壁與外壁間的導熱過程以及翅片管外壁與冷空氣間的對流傳熱過程.其中，管內熱水與翅片管內壁間的對流傳熱過程以及翅片管內壁與外壁間導熱過程的理論計算已非常成熟，可通過已有公式精確算出翅片管內熱水散熱量及管內熱水與翅片管內壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等參數(shù).而翅片管外壁與空氣間的對流換熱過程十分復雜，尚未形成統(tǒng)一、成熟的數(shù)學公式對其進行理論計算.現(xiàn)有文獻中運用CFD模擬軟件對翅片管內外同時建模來模擬得其散熱量的內容涉及很少，而且在實際建模中遇到很多困難.所以，單純依靠理論計算或數(shù)值模擬都不能有效得出翅片管強制對流散熱器的散熱量.為解決這一問題，本文擬通過翅片管內水側換熱的理論計算和翅片管外空氣側換熱的數(shù)值模擬分析相結合的方法，以確定不同結構參數(shù)時強制對流散熱器的散熱量.

1 研究對象的選取

U型翅片管強制對流散熱器是目前常見的一種強制對流散熱器，其中又以銅管鋁翅片強制對流散熱器最為常用.本文選用圖1所示的U型銅管鋁翅片強制對流散熱器作為研究對象，其主要的結構參數(shù)如表1所示［1］.

圖1 U型銅管鋁翅片強制對流散熱器結構示意圖

表1 銅管鋁翅片強制對流散熱器主要結構參數(shù) mm

2 翅片管內水側換熱理論計算

2.1 翅片管內熱水的放熱量

在給定翅片管進、出水溫度條件下，某一水流量對應的熱水放熱量可用下式計算

式中：Q為水的放熱量，W；c為水的比熱，kJ/（kg·℃）；G為水的質量流量，kg/h；tin為翅片管進水溫度，tin=60，℃；tout為翅片管出水溫度，tout=50，℃.

2.2 管內熱水與翅片管內壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

管內熱水與翅片管內壁間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h需通過判斷翅片管內熱水流態(tài)來確定.判斷翅片管內熱水流態(tài)的依據(jù)為水流的雷諾數(shù)，如下式［2］

式中：Re為水流的雷諾數(shù)；d1為翅片管內徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；A為翅片管水流截面積，m2；ν為水的運動黏度系數(shù)，m2/s.

當水流的雷諾數(shù)Re大于2，300時，水流態(tài)處于過渡區(qū)或紊流區(qū)，水的努謝爾特數(shù)Nu可采用格林尼斯基提供的經驗公式，如下式［2］

式中：Nu為水的努謝爾特數(shù)；Pfr為定性溫度為55，℃時水的普朗特數(shù)；Prw為定性溫度為管內壁溫時水的普朗特數(shù)；l為翅片管長度，l=1.3m.

管內熱水與翅片管內壁間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h可由下式求得［2］

式中：h為管內熱水與翅片管內壁間的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；λ為水的導熱系數(shù)，W/（m·℃）.

2.3 管內熱水與翅片管外壁的溫差

在確定管內熱水與翅片管外壁的溫差時，涉及到兩個傳熱過程，即管內熱水與翅片管內壁間的對流傳熱過程和翅片管內壁與外壁間的導熱過程，因此管內熱水與翅片管外壁的溫差由兩部分組成，如下式［2］

式中：Δt為管內熱水與翅片管外壁的溫差，℃；d3為翅片管外徑，mm.

3 翅片管外空氣側換熱數(shù)值模擬

3.1 物理模型

由于翅片數(shù)目較多，若進行全尺寸的數(shù)值模擬，網格數(shù)量非常多，前期建模和網格劃分的工作量將非常大，后期數(shù)值計算也會給處理工作帶來很大的困難［3］.基于翅片管強制對流散熱器幾何結構的對稱性，本文對翅片管進行分段建模，來揭示整個散熱器中流體的散熱狀況.計算區(qū)域由每段所含總的翅片數(shù)和其前后兩個空氣層的一半空間構成.

圖2 單元計算模型示意圖

3.2 網格劃分

網格劃分質量的好壞直接關系到數(shù)值模擬計算結果的精確度與可信度.本文使用Fluent默認前處理程序Gambit來進行網格劃分：采用Hex/Wedge網格單元，Cooper網格類型劃分翅片及空氣區(qū)域.

3.3 數(shù)學模型及基本假設

針對本文所模擬的內容進行簡化并且給出如下基本假設［5］：

（1）流動和換熱處于穩(wěn)定狀態(tài)，流體為不可壓縮的常物性氣體.

（2）入口各處空氣流速和物性相同，速度分布均勻.

（3）流體在固體壁面上沒有滑移.

（4）翅片具有溫度，其溫度非均勻分布，具體位置溫度由耦合傳熱計算得出.

方案一：Lcd1602 液晶也稱為1602 字符型液晶，是專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由幾個5×7 或5×11 點陣字符位構成，每個點陣字符位可以顯示一個字符，每個位與位間有一個點距的間隔，每條線之間也有一個間隙，起到字符間距和行間距的作用。因此，它不能很好地顯示漢字（使用自定義CGRAM，顯示效果不佳）。

（5）翅片材料的物性參數(shù)為常數(shù).

（6）假定翅片和銅管表面光滑且接觸良好，忽略翅片與銅管之間的接觸熱阻.

（7）由于散熱器翅片側是強制對流散熱，所以可以忽略模型和空氣之間的輻射換熱.

3.4 邊界條件及求解方法

空氣入口設為速度入口邊界條件（velocity inlet）；空氣出口設為出流邊界條件（outflow）；翅片和空氣接觸面設為耦合面（coupled），這種邊界條件可以實現(xiàn)流體和固體的耦合換熱；翅片管外壁設為默認邊界條件，假設翅片管外壁溫度沿水流方向線性變化，并可由管內熱水與翅片管外壁間溫差Δt求得；其余表面設置為對稱邊界條件，能使計算模型、網格數(shù)均減小一半，節(jié)省計算時間.

因本文研究的是不可壓流動問題，故采用Segregated求解器進行求解；湍流模型為標準k-ε 模型；壁函數(shù)選用標準壁函數(shù)；控制方程采用單精度分離式算法；壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法；壓力插值格式選用 standard 格式，動量方程與k-ε 方程的對流項離散采用二階迎風差分格式.

本文中，散熱器放置在完全敞開空間，周圍環(huán)境為一個大氣壓，所以設定工作壓力為101，325，Pa；考慮重力的影響；由于翅片表面溫度是由管壁對翅片的導熱所獲得，翅片的溫度分布沿導熱熱流傳遞的方向是不斷變化的，而翅片表面的溫度場分布對于翅片管散熱器的散熱量有一定的影響，在數(shù)值模擬過程中，需考慮翅片與翅片管管壁的導熱作用［6］.

3.5 實驗驗證

為驗證數(shù)值模擬的正確性，委托散熱器生產廠家生產出了翅片間距ef=3mm，其他結構參數(shù)如表1所示的散熱器樣品，在散熱器熱工性能測試實驗臺上，按照GB/T13754—2008《采暖散熱器散熱量測定方法》［7］中的具體規(guī)定對該樣品進行測試.

實驗選取進出口溫度分別為95.0，℃/70.2，℃、75.0，℃/56.7，℃和57.0，℃/45.6，℃共3種工況對散熱器進行測試，分別得到不同工況下散熱器的實驗測試散熱量.根據(jù)散熱器樣品建立物理模型，在3種工況下對其進行數(shù)值模擬計算，分別得到不同工況下散熱器的模擬計算散熱量.將不同工況下散熱器的散熱量實驗測試值與模擬計算值整理如表2所示.通過實驗測試值與模擬計算值的比較，驗證數(shù)值模擬的正確性［8-9］.

表2 散熱器實驗測試值與模擬計算值的對比

由表2可知，3種工況下散熱器散熱量的實驗測試值與模擬計算值相差均不超過5%，，由此可見，本文所提出的確定強制對流散熱器散熱量的計算方法是正確的.

4 應用算例

翅片間距是影響強制對流散熱器散熱性能的重要因素，因此，本文以翅片間距與強制對流散熱器散熱量之間的關系為例，來說明上述散熱器散熱量計算方法的應用.理論計算和模擬分析的基本條件為：散熱器翅片管進水溫度為60，℃，出水溫度為50，℃；散熱器風機風量恒定為6003m/h，進風風速為2.2m/s，進風溫度為16，℃；翅片間距ef變化范圍為3～6mm，本文分別取3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0mm進行計算，散熱器其他結構參數(shù)不變.

4.1 管內熱水放熱量理論計算

本文管內熱水流量取值范圍為100～250kg/h，根據(jù)上述翅片管內水側換熱理論計算公式可得：在給定散熱器進、出水溫度的情況下，翅片管內熱水放熱量在1，160～2，900W之間變化，如圖3所示；管內熱水與翅片管外壁的溫差在19～23，℃之間變化，如圖4所示.

圖3 熱水流量-熱水放熱量關系曲線

圖4 熱水放熱量-管內熱水與翅片管外壁溫差關系曲線

4.2 管外空氣得熱量模擬計算

根據(jù)初步測算，管內熱水與翅片管外壁溫差大概在19～22，℃之間變化，本文選取19，20，21，22，℃ 共4種情況進行模擬，得出了4種溫差時不同翅片間距下管外空氣得熱量，如圖5所示.

圖5 翅片間距-空氣得熱量關系曲線

4.3 散熱器散熱量確定

根據(jù)能量平衡原理，即：散熱器散熱量=管外空氣得熱量=管內熱水放熱量，利用圖3、圖4和圖5便可確定某一翅片間距下的散熱器散熱量.具體方法如下：

首先利用圖3，可查得某一熱水流量G0下的熱水放熱量Q0（它也是空氣得熱量），再利用圖4由Q0查得管內熱水與翅片管外壁溫差Δt0，最后利用圖5，由Q0和Δt0確定一點，該點所對應的翅片間距為，進而得到翅片間距為時的散熱量為Q0.

由此可知，在給定散熱器進、出水溫度和其他參數(shù)不變的條件下，翅片間距與散熱器散熱量存在一一對應的關系.根據(jù)圖3、圖4和圖5，可進一步整理得到翅片間距與散熱器散熱量的關系曲線，如圖6所示.

圖6 翅片間距-散熱器散熱量關系曲線

5 結 論

在翅片管強制對流散熱器結構優(yōu)化研究中，其散熱量的確定是個難題.本文對翅片管內水側換熱采用理論計算方法，而對翅片管外空氣側換熱采用數(shù)值模擬分析方法，并將兩者有機結合，進而給出了一種確定強制對流散熱器散熱量的方法.通過實驗驗證，該方法是正確的、有效的，對于翅片管強制對流散熱器結構優(yōu)化研究具有借鑒意義.

［1］趙加寧.低溫熱水采暖末端裝置［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］章熙民，任澤霈，梅飛明.傳熱學［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

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［4］何澤明.空氣橫掠平直翅片管流動與換熱的數(shù)值研究［D］.太原：太原理工大學，2013.

［5］王云龍.翅片管式換熱器設計軟件開發(fā)及影響參數(shù)研究［D］.大連：大連理工大學，2013.

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Abstract：Based on the research and analysis of the heat transfer characteristics in the out of the fin tube and the calculation method of the capacity，through the theoretical calculation of the water side’s heat transferin the fin tube and the numerical simulation analysis of the air side’s heat transfer out of the finned tube，this paper puts forward an effective method to determine the heat dissipating capacity of the fin tube forced convection radiator under different structural parameters.What’s more，this paper does the experimental verification.At the same time，this paper gives an application example of this method.

Study on Determination Method of Heat Dissipation Capacity of Fin Tube Forced Convection Radiator

TIAN Rui1，ZHAO Shuxing1，JIN Yang2，MA Qiaoyan3，DU He1，SHEN Mingyue1
（1.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.Heibei Dadi Construction Technology Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，China；3.Beijing Zhuzong Real Estate Development Co.，Ltd.，Beijing 100020，China）

fin tube forced convection radiator；theoretical calculation；numerical simulation；heat dissipating capacity

TU832.23：TK124

A

2095-719X（2016）04-0282-05

2015-09-04；

2015-09-24

田 瑞（1991—），男，山東泰安人，天津城建大學碩士生.

趙樹興（1962—），男，教授，從事建筑節(jié)能與集中供熱新技術研究.E-mail：zhaoshuxing@126.com