熱管蒸發(fā)器煙氣側(cè)換熱性能數(shù)值分析

劉艷會 ， 吳金星 ， 王明強(qiáng) ， 王 超 ， 許 克

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院節(jié)能技術(shù)研究中心 ， 河南 鄭州 450001)

熱管蒸發(fā)器煙氣側(cè)換熱性能數(shù)值分析

劉艷會 ， 吳金星*， 王明強(qiáng) ， 王 超 ， 許 克

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院節(jié)能技術(shù)研究中心 ， 河南 鄭州 450001)

針對熱管蒸發(fā)器內(nèi)煙氣側(cè)的流動和傳熱問題，建立三維幾何模型，采用數(shù)值模擬的方法研究了不同雷諾數(shù)下翅片螺距、翅片高度、管間距等因素對螺旋翅片管束傳熱和阻力特性的影響。結(jié)果表明：在研究范圍內(nèi),隨著翅片螺距的增大，螺旋翅片管的傳熱性能增強(qiáng)；隨著翅片高度和管間距的增加，螺旋翅片管的傳熱性能減弱。隨著翅片高度的增加，螺旋翅片管的阻力增大，隨著翅片螺距和管間距的增大，螺旋翅片管的阻力性能減弱。研究發(fā)現(xiàn)，在所選用的翅片尺寸范圍內(nèi)，當(dāng)螺距為10 mm、翅片高度為5 mm、管間距為55 mm時綜合換熱性能最佳。

熱管蒸發(fā)器 ； 螺旋翅片管 ； 傳熱特性 ； 阻力特性 ； 數(shù)值模擬

基于空氣源熱泵技術(shù)回收煙氣余熱的系統(tǒng)中，一般蒸發(fā)器采用普通的翅片管式換熱器，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑與煙氣僅隔一層薄薄的銅管壁，管壁一旦發(fā)生腐蝕會造成制冷劑泄漏，煙氣污染，從而導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)不能正常工作[1]。為解決此問題，本文提出了一種新型熱管蒸發(fā)器，將新型熱管用于煙氣和熱泵制冷劑之間。

新型熱管蒸發(fā)器的煙氣側(cè)熱管表面采用螺旋翅片，長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對螺旋翅片管束換熱器的傳熱和阻力性能進(jìn)行大量研究，由于煙氣沖刷螺旋翅片管束時其流動狀態(tài)的復(fù)雜性，以及研究對象和研究條件的限制，其傳熱和阻力特性的結(jié)果差異較大，且研究變量單一，針對該新型熱管蒸發(fā)器需要進(jìn)一步研究其螺旋翅片管束的傳熱和阻力性能[2-10]。

1 新型熱管蒸發(fā)器開發(fā)

新型熱管蒸發(fā)器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該新型熱管蒸發(fā)器采用重力熱管作為蒸發(fā)器的主要傳熱元件，采用豎直布置，每根熱管的蒸發(fā)段外側(cè)加裝螺旋翅片，熱管的冷凝段放置于一端帶橢圓形封頭的圓筒體中，圓筒體的另一端采用方形平板進(jìn)行密封，在圓筒體內(nèi)充入制冷劑，使圓筒體及熱管冷凝段構(gòu)成滿液式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器運(yùn)行時，煙氣進(jìn)入煙箱，由熱管蒸發(fā)段吸收煙氣的顯熱及煙氣中水蒸氣所含的潛熱，熱管內(nèi)的工質(zhì)吸熱后在冷凝段放熱，將熱量傳給圓筒體內(nèi)的制冷劑，制冷劑由液體變成蒸汽。

圖1 新型熱管蒸發(fā)器具體結(jié)構(gòu)示意圖

2 熱管蒸發(fā)器煙氣側(cè)數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及邊界條件

本文對新型熱管蒸發(fā)器的煙氣側(cè)流動換熱分析，由于煙氣側(cè)的熱管數(shù)量較多，且熱管表面有較密集的翅片，在網(wǎng)格劃分和計算機(jī)運(yùn)算求解過程中有諸多不利?？紤]到計算機(jī)軟硬件的限制，對部分換熱器建立計算模型，從計算機(jī)的計算效率和換熱器的對稱性方面對實(shí)際物理模型進(jìn)行簡化。簡化后的帶翅片熱管的幾何模型如圖2(a)所示。

圖2 帶翅片熱管的幾何模型及邊界條件

模型的邊界條件設(shè)定如圖2(b)所示，入口采用速度進(jìn)口，煙氣的速度為3 m/s，進(jìn)口處煙氣的溫度為79.85 ℃；出口邊界為壓力出口，出口處煙氣的溫度為39.85 ℃；翅片表面設(shè)置為固壁邊界，設(shè)置管壁及翅片表面為無滑移邊界，其表面的溫度設(shè)定為29.85 ℃；模型四周表面為對稱邊界[11-12]。

2.2 數(shù)值計算方法

該模型采用Fluent軟件的SIMPLE算法，采用強(qiáng)化壁面函數(shù)方法對壁面進(jìn)行處理，連續(xù)方程、動量方程和能量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。收斂準(zhǔn)則為：連續(xù)方程、動量方程迭代結(jié)果的相對殘差<10-4，能量方程的相對殘差<10-6。

2.3 模擬結(jié)果及性能分析

新型熱管蒸發(fā)器的設(shè)計工況及翅片管的參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)行工況及翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.1 翅片螺距對換熱性能和阻力特性的影響

為了考察翅片螺距對換熱器換熱性能的影響，在高頻焊翅片管常用的翅片螺距范圍內(nèi)選取4組螺距值，分別為3.5、5、7 mm和10 mm，在翅片的其他參數(shù)相同的情況下，分析在不同煙氣入口速度(以下實(shí)驗(yàn)以流體的雷諾數(shù)來表征)條件下，不同翅片螺距對傳熱和阻力特性的影響。

結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同翅片螺距(L)對傳熱性能和阻力特性的影響

由圖3(a)可以看出，在相同的雷諾數(shù)下，努塞爾數(shù)(Nu)隨著翅片螺距的增加而增大。這是因?yàn)槌崞菥嘣龃螅崞呐で仍龃?，煙氣掠過翅片后產(chǎn)生更強(qiáng)的擾動，增強(qiáng)煙氣在蒸發(fā)器內(nèi)的湍流程度，使煙氣內(nèi)部混合換熱能力增強(qiáng)；另一方面，螺距增大會使翅片傾斜方向與煙氣來流速方向的夾角增大，導(dǎo)致煙氣對翅片的沖刷更加劇烈，使熱邊界層厚度減小，從而降低傳熱熱阻，強(qiáng)化換熱效果。

由圖3(b)可看出，四種不同螺距翅片管的歐拉數(shù)(Eu)隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸減小，并趨于平坦；在相同的雷諾數(shù)下，隨著翅片螺距的增加，阻力逐漸減小。這是因?yàn)槌崞菥嘣龃?，使基管單位長度上的翅片數(shù)減少，且翅片間距增大，流體繞過翅片時受到的阻礙相對減少，從而使蒸發(fā)器內(nèi)管束的阻力減小。

圖4為不同翅片螺距的綜合性能與雷諾數(shù)的關(guān)系。雷諾數(shù)在10 000左右時綜合傳熱性能指標(biāo)(傳熱因子j與摩擦因子f比值，j/f)達(dá)到最大值，說明不同螺距的翅片管換熱器存在著最佳煙氣入口速度使其綜合傳熱性能最優(yōu)。同一雷諾數(shù)下，隨著翅片螺距的增大，j/f值也會增大。在所選的翅片中，螺距為10 mm的翅片綜合性能最優(yōu)。

2.3.2 翅片高度對換熱性能和阻力特性的影響

為了考察翅片高度對換熱器的換熱性能的影響，選取翅片高度值分別為5、7、8、10 mm，在翅片其他參數(shù)相同的情況下，分析在不同煙氣入口速度條件下，不同翅片高度對傳熱和阻力特性的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同翅片高度(h)對傳熱特性和阻力特性的影響

由圖5(a)可看出，無論哪種高度的翅片，其努塞爾數(shù)(Nu)隨著雷諾數(shù)的增大而呈現(xiàn)增加的趨勢，雷諾數(shù)越大，換熱器的傳熱效果越好。在相同的雷諾數(shù)下，隨著翅片高度的增加，努塞爾數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，說明在所選翅片高度的范圍內(nèi)，翅片越高對傳熱性能越不利。這是因?yàn)樵黾映崞叨入m然可以增大單位長度翅片管的傳熱表面積，但翅片高度過大會引起翅片徑向的熱阻增加，導(dǎo)致翅片的效率降低。

從圖5(b)可知，同一雷諾數(shù)下，隨著翅片高度的增大，歐拉數(shù)(Eu)也逐漸增大，說明翅片高度越高，換熱器的進(jìn)出口壓力損失越大。當(dāng)基管間距和螺距一定時，增加翅片高度會使單位空間內(nèi)煙氣的流通空間減小，煙氣在流動過程中受到翅片更大的流動阻力，致使翅片越高，煙氣的壓力損失就越大。

圖6 翅片高度(h)對j/f的影響

圖6為翅片高度對換熱流動綜合性能的影響。四種不同高度翅片的j/f隨著雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，雷諾數(shù)在10 000左右時，j/f達(dá)到最大值，說明不同翅片高度的換熱器都存在著最佳煙氣入口速度，使其綜合傳熱性能最優(yōu)。同一雷諾數(shù)下，隨著翅片高度的增大，j/f值會減小。從換熱流動綜合性能評價指標(biāo)可以看出，在所選翅片高度范圍內(nèi)，高度為5 mm的翅片綜合性能最優(yōu)。

2.3.3 管間距對換熱性能和阻力特性的影響

為了考察管間距對換熱器的換熱性能的影響，選取管間距值分別為41、50、55、60 mm，在其他參數(shù)相同的情況下，分析在不同煙氣入口速度條件下，不同管間距對傳熱和阻力特性的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7(a)可以看出，在相同雷諾數(shù)下，隨著管間距的增加，努塞爾數(shù)(Nu)呈現(xiàn)減小的趨勢，說明增大管間距不利于翅片管換熱器的傳熱。

圖7 管間距(l)與傳熱性能和阻力特性的關(guān)系

由圖7(b)可看出，隨著雷諾數(shù)的增大，阻力系數(shù)歐拉數(shù)(Eu)逐漸減小。同一雷諾數(shù)下，隨著管間距的增大，歐拉數(shù)越小，即阻力越小，這是因?yàn)楣荛g距增大，管子布置稀疏，對煙氣的流動干擾小，阻力也就小。

圖8 管間距(l)對j/f的影響

圖8為不同管間距對流動換熱綜合性能的影響。四種不同管間距對應(yīng)的j/f值隨著雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，雷諾數(shù)在10 000左右時j/f達(dá)到最大值，說明不同管間距的換熱器都有最佳煙氣入口速度使其綜合傳熱性能最優(yōu)。同一雷諾數(shù)下，隨著管間距增大，j/f值逐漸增大，說明管間距越大，換熱器的綜合傳熱性能越好。在所選管間距范圍內(nèi)，管間距值為55 mm的翅片綜合性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

①在相同雷諾數(shù)的條件下，隨著螺距的增大，努塞爾數(shù)增大，阻力隨著螺距增大而減小，考慮到換熱器的緊湊性，不能一直增加翅片螺距來提高換熱器的傳熱性能；②在相同雷諾數(shù)的條件下，隨著翅片高度的增加，努塞爾數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，說明在所選翅片高度的范圍內(nèi)，翅片越高對傳熱性能越不利。同一雷諾數(shù)下，阻力隨著翅片高度的增大而增大，說明翅片高度越高，換熱器的進(jìn)出口壓力損失越大。③在相同雷諾數(shù)的條件下，隨著管間距的增加，努塞爾數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，說明增大管間距不利于提高翅片管換熱器的傳熱性能，隨著管間距的增大，阻力越小。④綜合分析在不同煙氣入口速度下，翅片螺距、翅片高度、管間距對螺旋翅片管束傳熱和阻力特性的影響，當(dāng)雷諾數(shù)在10 000左右時綜合傳熱性能達(dá)到最優(yōu)，其所對應(yīng)的翅片參數(shù)為：螺距為10 mm、高度為5 mm、管間距為55 mm。

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Numerical Analysis of Heat Transfer Performance in Flue Gas Side of Heat Pipe Evaporator

LIU Yanhui ， WU Jinxing ， WANG Mingqiang ， WANG Chao ， XU Ke

(Research Center of Energy-saving Technology of School of Chemical and Energy Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, China)

A three-dimensional geometric model is built based on the problems about flow and heat transfer in the flue gas side of heat pipe evaporator.The heat transfer and resistance characteristics of spiral fin tubes with different pitches,fin height and tube pitch spacing under different reynolds number.The results show that the heat transfer of spiral fin tube increases with fin pitch increasing and decreases with fin height and tube pitch spacing increasing.The spiral fin tube resistance increases with fin height increasing and decreases with fin pitch and tube spacing decreasing.For all the parameters study,the best thermal performance of heat pipe evaporator is achieved with the pitch is 10 mm,fin height is 5 mm,tube pitch spacing is 55 mm.

heat pipe evaporator ; spiral fin tube ; heat-transfer characteristic ; resistance characteristic ; numerical simulation

2016-10-08

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(132102210406)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(141PPTGG410)

劉艷會(1990-)，女，碩士研究生，從事強(qiáng)化傳熱的研究工作，電話：13673977871；聯(lián)系人：吳金星(1968- )，男，教授，博士，從事強(qiáng)化傳熱及節(jié)能技術(shù)研究工作，E-mail: wujx@zzu.edu.cn。

TQ050.2

A

1003-3467(2017)01-0021-04