鋸齒與打孔翅片表面性能對傳熱的影響

于艷君

0.綜述

板翅式換熱器的傳熱與流動阻力性能主要決定于翅片的表面特性，因此翅片的表面特性數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確設(shè)計(jì)板翅式換熱器的基礎(chǔ)。美國斯坦福大學(xué)的Kays和London曾對緊湊式換熱器表面進(jìn)行了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，提供了40多種翅片形狀的板翅式翅片的傳熱和阻力曲線圖。

本文以兩種常見的翅片表面（鋸齒翅片、打孔翅片）為研究對象，換熱工質(zhì)為7.8bar，150～151K的CH4氣體，采用FLUENT軟件模擬和分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和Re數(shù)對翅片表面?zhèn)鳠崤c流動阻力的影響。得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下兩種翅片的表面性能曲線，分別分析了鋸齒翅片的翅片高度、翅片間距、翅片厚度和切開長度以及打孔翅片開孔率對翅片表面流動與傳熱性能影響，并分析比較兩種翅片性能。

1.鋸齒翅片表面性能分析

（1）通過對于不同翅高h(yuǎn)的鋸齒翅片表面性能的變化規(guī)律：隨雷諾數(shù)的增加，傳熱因子j和摩擦因子f均遞減；在相同的雷諾數(shù)下，隨著翅片高度增加傳熱因子增加，但同時(shí)摩擦因子（壓降）也增加。

（2）通過對于不同翅距S的鋸齒翅片表面性能的變化規(guī)律：隨雷諾數(shù)的增加，傳熱因子j和摩擦因子f均遞減；在相同的雷諾數(shù)下，S=1.7mm的翅片傳熱性能最好；S=2.0mm的翅片次之；在相同的雷諾數(shù)下，隨著翅片間距增加，摩擦因子減小。

（3）通過對于不同翅厚δ的鋸齒翅片表面性能的變化規(guī)律：隨雷諾數(shù)的增加，傳熱因子j和摩擦因子f均遞減；在相同的雷諾數(shù)下，隨翅厚增加傳熱因子增加，但增加不明顯；在相同的雷諾數(shù)下，隨翅厚變化壓力降變化較顯著，翅厚增加，壓力降明顯增大。

（4）通過對于不同切開長度的鋸齒翅片表面性能的變化規(guī)律：隨雷諾數(shù)的增加，傳熱因子j和摩擦因子f均遞減；在相同的雷諾數(shù)下，切開長度減小傳熱性能增大； 但隨切開長度減小壓力降也明顯增大。

2.打孔翅片表面性能分析

通過對于不同開孔率的打孔翅片表面性能的變化規(guī)律：隨雷諾數(shù)的增加，傳熱因子j和摩擦因子f均遞減；在相同的雷諾數(shù)下，不同開孔率的傳熱性能和摩擦因子相差不多，這兩種開孔率對傳熱和壓降特性影響不大。

3.數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與誤差分析

3.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

1965年我國由日本神鋼“ALEX”引進(jìn)平直形、鋸齒形、多孔形翅片性能數(shù)據(jù)，由于國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)翅片與日本神鋼“ALEX”的大致規(guī)格相同，國內(nèi)有關(guān)工廠、設(shè)計(jì)院多沿用該曲線數(shù)據(jù)。該曲線只區(qū)別翅片形式，不區(qū)別每種翅片形式的尺寸。使用結(jié)果表明：在常用雷諾數(shù)Re=500～10000范圍內(nèi)，約有15%的裕量。

3.1.1鋸齒翅片數(shù)值模擬結(jié)果與上述擬合曲線的比較

鋸齒翅片傳熱因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線比較中可以看出：傳熱性能隨雷諾數(shù)的變化趨勢相同：在一定Re數(shù)范圍內(nèi)，隨Re數(shù)的增大傳熱因子遞減，說明將數(shù)值模擬應(yīng)用于翅片表面特性研究是可行的。傳熱因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線平均偏差為21%，最大偏差為48%。

鋸齒翅片摩擦因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線比較中可以看出：流動阻力性能隨雷諾數(shù)的變化趨勢相同：在一定Re數(shù)范圍內(nèi)，隨Re數(shù)的增大摩擦因子遞減。摩擦因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線平均偏差為16%，最大偏差為51%。

3.1.2打孔翅片數(shù)值模擬結(jié)果與上述擬合曲線的比較

打孔翅片傳熱因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線比較中可以看出：傳熱性能隨雷諾數(shù)的變化趨勢相同：在一定Re數(shù)范圍內(nèi)，隨Re數(shù)的增大傳熱因子遞減。傳熱因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線平均偏差為13%，最大偏差為31%。

打孔翅片摩擦因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線比較中可以看出：流動阻力性能隨雷諾數(shù)的變化趨勢相同：在一定Re數(shù)范圍內(nèi)，隨Re數(shù)的增大摩擦因子遞減。摩擦因子數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線平均偏差為12%，最大偏差為27%。

3.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果誤差分析

鋸齒與打孔翅片傳熱因子、摩擦因子的數(shù)值模擬結(jié)果與擬合曲線之間存在一定偏差，其主要原因可以歸結(jié)為如下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)值計(jì)算模型沒有考慮翅片、隔板的粗糙度，使傳熱因子、摩擦因子數(shù)值計(jì)算值偏小。

（2）翅片與隔板是釬接在一起的，釬接工藝產(chǎn)生的換熱器芯體結(jié)構(gòu)與數(shù)值計(jì)算的簡化模型有一定差異，會使數(shù)值計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。

4.結(jié)論

利用計(jì)算流體動力學(xué)方法研究了板翅式換熱器常見的兩種翅片表面流動與傳熱性能。對比研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及Re數(shù)對翅片表面性能的影響。

（1）結(jié)果表明，兩種翅片的傳熱性能與阻力損失隨雷諾數(shù)的變化趨勢相同：在一定Re數(shù)范圍內(nèi)，隨Re數(shù)的增大傳熱因子和摩擦因子遞減。這與擬合曲線得出的結(jié)論一致，說明將數(shù)值模擬應(yīng)用于翅片表面特性研究是可行的。

（2）分析了鋸齒翅片的高度、翅片間距、翅片厚度以及翅片切開長度對鋸齒翅片傳熱性能的影響；打孔翅片開孔率對打孔翅片傳熱性能影響。結(jié)果表明：鋸齒翅片的高度越大傳熱性能越好；鋸齒翅片的間距對其傳熱性能有直接影響；鋸齒翅片的厚度越大傳熱性能越好；鋸齒翅片的切開長度越短傳熱性能越好；本文研究的兩種打孔翅片的開孔率對翅片傳熱性能影響不大。

（3）分析了鋸齒翅片的高度、翅片間距、翅片厚度以及翅片切開長度對鋸齒翅片流動阻力性能的影響；打孔翅片開孔率對打孔翅片流動阻力性能影響。結(jié)果表明：鋸齒翅片的高度越大摩擦因子越大；鋸齒翅片的間距越大摩擦因子越??；鋸齒翅片的厚度越大壓降越大；鋸齒翅片的切開長度越短壓降越大；本文研究的兩種打孔翅片的開孔率對翅片流動阻力性能影響不大。

（4）相同Re數(shù)下兩種翅片的傳熱性能的比較發(fā)現(xiàn)：鋸齒翅片的傳熱性能優(yōu)于打孔翅片，說明改善換熱器換熱表面的幾何形狀對板翅式換熱器的傳熱性能影響至關(guān)重要。

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