橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的傳熱和流阻性能對比

朱致遠， 刁永發(fā)， 茅文焯， 胡赟星

(1. 東華大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620；2. 上海東潤換熱設備股份有限公司， 上海 201518)

隨著國內外經濟的高速發(fā)展，工業(yè)設備生產能力大大提高，用能隨之增加，大型高壓電機、變頻器、變壓器的總裝機容量逐年增加，目前我國在網運行變壓器約1 700萬臺，總容量約110億kV·A。這些耗能設備在運行過程中會產生大量余熱，需要及時散熱以保持性能的穩(wěn)定，因而對換熱器的傳熱性能和耐用性提出了更高的要求。

國內外學者對換熱器的傳熱和流阻性能進行了大量的研究。趙蘭萍等[1]分析排數和翅片間距等因素對矩形翅片橢圓換熱管束流動換熱性能的影響，結果表明翅片間距對阻力影響較大。Tang等[2]通過試驗和數值計算法分析不同進氣角度對兩排平直翅片橢圓管換熱器流動換熱的影響，發(fā)現進氣角度為45°時傳熱性能最好，90°時壓降最小。Deepakkumar等[3]研究圓管、橢圓管組合翅片管換熱器的風側性能，結果發(fā)現，先將橢圓管成組再排圓管的風側性能比橢圓管和圓管交替排列的好。Li等[4]在翅片管換熱器徑向布置小翼以強化換熱器空氣側換熱，研究小翼結構的尺寸、攻角和位置對換熱器傳熱和流動特性的影響，結果表明，這種翅片結構既能增強換熱性能又不會帶來額外壓力損失。Chu等[5]對圓形和橢圓形大直徑管的正弦波翅片管換熱器的空氣側性能進行研究，結果表明：當片距為3.0 mm時，圓管結構壓降比橢圓管結構高出約10%；當片距降為1.8 mm時，橢圓管結構比圓管結構的壓降高5%～10%。江榮方等[6]提出一種矩形前緣結構的扁管換熱器，結果表明這種扁管的阻力比圓管小，但是其迎風面為矩形，不利于空氣流動且增大了阻力。胡興軍等[7]研究不同扁管前緣結構半徑對百葉窗和鋸齒形翅片扁管換熱器空氣側熱工水力性能的影響，結果表明，增大前緣圓角半徑有利于改善不同風速下熱交換器的空氣側換熱性能，但是百葉窗和鋸齒形翅片對加工工藝要求較高。劉戰(zhàn)等[8]利用有限元軟件研究迎面風速和翅片間距變化對百葉窗翅片扁管換熱器的傳熱和流動性能的影響，結果表明：百葉窗翅片扁管換熱器的換熱性能隨迎面風速的增大先增大后趨于恒定；在其他結構參數不變的情況下，較小的翅片間距可獲得較好的換熱性能。陳俊華等[9]提出縱向翅片扁管換熱器，結果表明相同入口條件下扁管的管內傳熱性能優(yōu)于普通圓管，但是翅片沿管長方向縱向分布，空氣流動距離較長，受到的阻力較大。

上述研究的翅片管基管有圓管、橢圓管和扁管。以圓管和橢圓管為基管的換熱器的布管形式主要為多排和叉排[10-14]，空氣流經管排的阻力較大，且在空氣流動方向上圓管的管背面尾流區(qū)較大，換熱面積利用不充分，換熱效率較低。本研究提出一種翅片橫向布置且扁管迎風面為圓弧形的扁管換熱器，將其傳熱和阻力性能與長×寬×高為810 mm×440 mm×280 mm的叉排圓管換熱器進行對比。

1 橫向翅片扁管換熱器簡介

橫向翅片扁管換熱器的示意圖如圖1所示。矩形翅片橫向布置，換熱器整體采用單排并沿空氣流動方向平行布置，相比多排、叉排管，明顯減少了空氣在流動方向上流向變化頻次，可明顯降低空氣側阻力。管末端尾流區(qū)形成的渦漩較少，對換熱效果影響不大。扁管兩側為圓弧形，空氣流過時產生的壓降遠遠小于長形扁管。扁管內部設有多條加強筋，把扁管內部分隔成多條空腔通道，一方面強化了扁管的耐壓能力，另一方面增大了傳熱介質在內部與基管的流動換熱面積。

圖1 橫向翅片扁管換熱器示意圖Fig.1 Schematic of transverse finned flat tube heat exchanger

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗裝置

試驗臺主要由試驗件、冷風系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、測量系統(tǒng)4部分組成，裝置示意圖如圖2所示。室外冷空氣在風機負壓作用下進入風道，在換熱器管外流動，而水箱中加熱后的水在管內流動，兩種介質通過基管和翅片進行熱交換。在工況穩(wěn)定后采集試驗數據, 每次工況穩(wěn)定時間約為15 min，熱平衡誤差控制在5%以內。通過變頻器調節(jié)空氣流速獲得試驗中所需的各種工況，即風速分別為2、4、6、8、10 m/s。

1—風機；2—入口風測溫排架；3—水箱；4—加熱器；5—電磁水流量計；6—進出風壓差變送器；7—換熱器試驗件；8—進出水壓差變送器；9—出口風測溫排架；10—皮托管流量計。圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

2.2 測試樣件

圓管換熱器的管排數量為6，回程數為6，總翅片間距為14.00 mm；圓管的外徑為14.45 mm，內徑為14.00 mm；整體管束采用叉排布置方式。橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱水器試驗件的詳細尺寸如表1所示。

表1 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的幾何參數

由表1可知：叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的空氣側流通橫截面積分別為0.356 4和0.322 6 m2，叉排圓管換熱器僅比橫向翅片扁管換熱器多0.033 8 m2，可以確保相同迎面風速時質量流量相近，并有相同的入口條件。換熱器空氣流經長度為其橫向高度，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的空氣流經長度分別為0.280和0.154 m，用進出口壓降除以空氣流經長度得到單位長度壓降，然后對管外空氣阻力進行比較，消除流經長度不一致帶來的影響。叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的總換熱面積分別為49.86和32.46 m2，采用單位面積換熱量對兩種換熱器進行比較，消除換熱面積不一致帶來的影響。

根據表1計算得出，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的單位體積換熱面積分別為499.639 2和653.457 4 m2,即橫向翅片扁管換熱器的單位體積換熱面積比叉排圓管換熱器大153.818 2 m2，可見橫向翅片扁管換熱器緊湊程度較好。

2.3 傳熱與流阻性能分析

2.3.1 單位面積換熱量

換熱方程為

Q=K·A·ΔTm

(1)

式中：Q為換熱量，W；K為總傳熱系數，W/(m2·K)；A為總換熱面積，m2；ΔTm為對數平均溫差，K。

單位面積換熱量(q)為

(2)

試驗取熱水放熱量和空氣吸熱量算術平均值作為換熱量，利用液體側和空氣側的溫度測點得到對數平均溫差，根據式(1)計算總傳熱系數，總傳熱系數為中間變量。

2.3.2 管外傳熱系數

試驗件是新加工的，因此可以忽略空氣側和液體側的污垢熱阻。液體側的努塞爾數可根據Dittus-Boelter公式[15]求解，反推得到液體側對流換熱系數?？諝鈧葘α鲹Q熱系數即管外傳熱系數可根據式(3)進行計算。

(3)

式中：h1為管外傳熱系數，W/(m2·K)；h2為液體側對流換熱系數，W/(m2·K);δ為管壁厚度，m；λ為管壁導熱系數，W/(m2·K)。

2.3.3 傳熱因子和阻力因子

表示傳熱性能的傳熱因子j定義如下：

(4)

式中：Pr、Nu、Re分別為空氣普朗特數、努塞爾數和雷諾數。Nu、Re分別定義如下：

(5)

(6)

式中：l為特征尺寸，取橫向翅片扁管換熱器和圓管換熱器空氣流經長度的平均值0.217 m；μ為空氣黏度，Pa·s；ρ為空氣密度，kg/m3；U為空氣流速，m/s。取進出口空氣平均溫度為定性溫度來查得相應的空氣密度和黏度。

表示阻力性能的阻力因子f定義如下：

(7)

式中：Δp為空氣進出口壓降，Pa。

2.3.4 綜合性能指標PEC

兩種換熱器的結構形式有所不同,為合理評價兩者的流動傳熱能力，引入綜合性能指標PEC。PEC表示單位壓降下換熱器傳熱能力的強弱，其值IPEC越大，換熱器綜合傳熱性能越優(yōu)異。

(8)

其中，歐拉數Eu定義如下：

(9)

3 結果與分析

3.1 傳熱及流阻性能結果

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器單位長度壓降對比如圖3所示。

圖3 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器單位長度壓降對比Fig.3 Comparison of pressure drop per unit length of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

由圖3可知，當風速從2 m/s增大到10 m/s時，兩種換熱器的單位長度壓降均隨風速的增大而增大，相比叉排圓管換熱器，橫向翅片扁管換熱器的單位長度壓降變化幅度較小。叉排圓管換熱器的單位長度壓降始終大于橫向翅片扁管換熱器，并且隨著風速的增加,兩者的差距越來越大。當風速為2 m/s時，橫向翅片扁管換熱器單位長度壓降為181.81 Pa/m，而叉排圓管換熱器為490.86 Pa/m；當風速為4 m/s時，橫向翅片扁管換熱器單位長度壓降為441.56 Pa/m，而叉排圓管換熱器為1 933.04 Pa/m。由此可見，橫向翅片扁管換熱器的流動阻力要小于圓管換熱器。這主要是因為：橫向翅片扁管換熱器具有優(yōu)異的低風阻結構，并且叉排圓管換熱器為叉排布置，而橫向翅片扁管換熱器為單排平行布置，空氣流經橫向翅片扁管換熱器時流向改變頻數遠遠低于叉排圓管換熱器，且空氣流過的距離較小，此外扁管兩側為圓弧形，有利于空氣的流動。

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的單位面積換熱量隨風速變化如圖4所示。由圖4可知：隨著風速的增大，兩種換熱器的單位面積換熱量均逐漸增加，但增幅逐漸減小，其中叉排圓管換熱器的增幅比橫向翅片扁管換熱器的大；當風速大于8 m/s時，叉排圓管換熱器單位面積換熱量的增幅逐漸增大。相同風速下，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量始終大于橫向翅片扁管換熱器，并且風速越大,兩者的差值越大。風速為4 m/s時，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量比橫向翅片扁管換熱器多8.90%；風速為10 m/s時，叉排圓管換熱器的單位面積換熱量比橫向翅片扁管換熱器多45.23%。

圖4 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的單位面積換熱量隨風速的變化Fig.4 Change of heat exchange per unit area with wind velocity of transverse finned flat tube heat exchanger and staggeredcircular tube heat exchanger

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的管外傳熱系數對比如圖5所示。由圖5可知，風速從2 m/s增大到10 m/s時，兩種換熱器的管外傳熱系數均隨風速的增大而增大，但叉排圓管換熱器的增幅大于橫向翅片扁管換熱器。風速為2 m/s時，叉排圓管換熱器的管外傳熱系數比橫向翅片扁管換熱器大24.522 W/(m2·K)；風速為10 m/s時，叉排圓管換熱器的管外傳熱系數比橫向翅片扁管換熱器大32.873 W/(m2·K)。

圖5 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器管外傳熱系數對比Fig.5 Heat transfer coefficient comparison of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的傳熱因子j隨Re變化如圖6所示。由圖6可知，兩種換熱器的傳熱因子j均隨Re增大而減小，并且叉排圓管換熱器的傳熱因子j始終大于橫向翅片扁管換熱器j因子。Re為2.5×104時，叉排圓管換熱器傳熱因子j為0.007 8，橫向翅片扁管換熱器傳熱因子j為0.003 8；Re為1.4×105時，叉排圓管換熱器傳熱因子j為0.002 6，橫向翅片扁管換熱器傳熱因子j為0.001 5。相同Re下，叉排圓管換熱器的傳熱能力要強于橫向翅片扁管換熱器。

圖6 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的傳熱因子j隨Re的變化Fig.6 Variation of j of transverse finned flat tube heatexchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的阻力因子f隨Re變化如圖7所示。由圖7可知，叉排圓管換熱器阻力因子f隨Re增加而減小，但是變化幅度較小，當Re從2.5×104增加到1.4×105時，叉排圓管換熱器阻力因子f從15.11降低到15.08；橫向翅片扁管換熱器阻力因子f隨Re增加而減小，當Re從2.5×104增加到1.4×105時，橫向翅片扁管換熱器阻力因子f從3.05降低到0.99。Re相同時，橫向翅片扁管換熱器對空氣的流動阻力要小于叉排圓管換熱器，橫向翅片扁管換熱器流阻性能比較強。

圖7 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器阻力因子f隨Re的變化Fig.7 Variation of f of transverse finned flat tube heatexchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的Nu隨Re的變化如圖8所示。由圖8可知，兩種換熱器的Nu隨Re增大而增大，且叉排圓管換熱器增幅大于橫向翅片扁管換熱器。Re為2.5×104時，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的Nu分別為424.25和233.03；Re為1.4×105時，叉排圓管換熱器和橫向翅片扁管換熱器的Nu分別為679.09和448.59。由此可見，相同Re下，叉排圓管換熱器的對流換熱強度高于橫向翅片扁管換熱器。

圖8 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的Nu隨Re的變化Fig.8 Variation of Nu of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

橫向翅片扁管換熱器、叉排圓管換熱器的Eu隨Re的變化如圖9所示。由圖9可知：叉排圓管換熱器的Eu隨Re增大而減小，但是變化幅度較小，當Re從2.5×104增加至1.4×105時，叉排圓管換熱器的Eu從30.22降低至30.16；橫向翅片扁管換熱器的Eu隨Re增加而減小，當Re從2.5×104增加至1.4×105時，橫向翅片扁管換熱器的Eu從6.10降低至1.98。叉排圓管換熱器的Eu始終大于橫向翅片扁管換熱器的Eu，平均為橫向翅片扁管換熱器Eu的10.59倍。Re相同時，橫向翅片扁管換熱器的動量損失比叉排圓管換熱器低。

圖9 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的Eu隨Re的變化Fig.9 Variation of Eu of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger with Re

根據Nu和Eu計算得到綜合性能指標PEC(performance evaluation criterion)，結果如圖10所示。由圖10可知，雷諾數從2.5×104增至1.4×105時，兩種換熱器的綜合性能指標計算值均隨雷諾數的增加而增大。Re≥2×104時，橫向翅片扁管換熱器PEC計算值大于叉排圓管換熱器PEC計算值。當Re為2.5×104時，橫向翅片扁管換熱器PEC計算值為94.38，叉排圓管換熱器PEC計算值為77.17；Re為1.4×105時，橫向翅片扁管換熱器PEC計算值為318.78，叉排圓管換熱器PEC計算值為123.66。橫向翅片扁管換熱器的PEC計算值最大為叉排圓管換熱器的2.58倍，說明單位壓降下橫向翅片扁管換熱器的換熱強度大于叉排圓管換熱器，這是因為橫向翅片扁管換熱器的空氣流動阻力較低。

圖10 橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器PEC計算值對比Fig.10 Comparison of calculated values of PEC of transverse finned flat tube heat exchanger and staggered circular tube heat exchanger

3.2 傳熱及流阻準則式

由最小二乘法計算得到的橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的準則式，如表2所示。這些準則式可以用于橫向翅片扁管換熱器和叉排圓管換熱器的熱力性能計算。

表2 換熱器傳熱和阻力準則式Table 2 Correlation formula of heat transfer and resistance of heat exchanger

4 結 語

對比研究了橫向翅片扁管換熱器與叉排圓管換熱器的傳熱與流阻特性，主要結論如下：

(1)風速從2 m/s增至10 m/s時，兩種換熱器的單位長度壓降、單位面積換熱量和管外傳熱系數都隨風速的增大而增大。相同流速下，叉排圓管換熱器流動阻力大于橫向翅片扁管換熱器。

(2)雷諾數從2.5×104增至1.4×105時，兩種換熱器的綜合性能指標計算值都隨雷諾數的增大而增大。Re≥2.5×104，橫向翅片扁管換熱器綜合換熱能力超過叉排圓管換熱器，PEC計算值最大為叉排圓管換熱器的2.58倍。

(3)得到換熱器的傳熱和阻力準則式。橫向翅片扁管換熱器：Nu=3.698 3Re0.406 2、Eu=8 149.800·Re-0.703、IPEC=0.041Re0.757 5，2.5×104≤Re≤1.4×105；叉排圓管翅片換熱器：Nu=21.030 0Re0.292 6、Eu=32.201Re-0.006、IPEC=3.792 7Re0.293 4，2.5×104≤Re≤1.4×105。