翅片管氟塑料換熱器的流動傳熱特性

胡自成，陳開楠，殷地喜，蔡川川，葛鳳華

(1.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.無錫同方人工環(huán)境有限公司，江蘇 無錫 214101；3.沃斯坦熱力技術(shù)(北京)有限公司，北京 100125)

由于與金屬換熱器相比，氟塑料換熱器具有優(yōu)異的耐腐蝕和抗結(jié)垢性能，因而其在化工、電力和制冷等領(lǐng)域的腐蝕環(huán)境余熱回收中日益受到重視[1-2].但是，氟塑料存在導(dǎo)熱系數(shù)低、膨脹系數(shù)大和機械強度差等不足[3]，因此如何優(yōu)化氟塑料換熱器的流動傳熱性能和機械性能成為目前的研究熱點.在氟塑料換熱器應(yīng)用方面，S.L.GMEZ ALEZ等[4]指出，當存在腐蝕性熱源介質(zhì)時，和金屬換熱器相比，氟塑料換熱器的優(yōu)勢明顯.WEN Z.W.等[5]設(shè)計了氟塑料換熱器，并進行了模擬，表明氟塑料換熱器可實現(xiàn)煙氣余熱高效回收.XIONG Y.Y.等[6]通過采用氟塑料換熱器回收低品位熱濕煙氣的潛熱試驗，發(fā)現(xiàn)氟塑料換熱器不僅能克服傳統(tǒng)金屬換熱器易腐蝕的缺點，而且能高效回收潛熱，煙氣溫度低于其酸露點時回收潛熱的優(yōu)勢更為明顯.SONG S.S.等[7]研究了聚偏氟乙烯中空纖維換熱器的性能，發(fā)現(xiàn)其具有高效、緊湊、耐腐蝕和抗污染等優(yōu)良性能，非常適合于海水淡化領(lǐng)域.在氟塑料換熱器結(jié)構(gòu)方面，段俊陽[8]模擬研究了管束布置方式、管間距、管排數(shù)對流動傳熱的影響，認為采用叉排布置、管排數(shù)為5排時結(jié)構(gòu)較佳.趙國春[9]通過試驗與模擬的方法，研究了管束布置、管間距對氟塑料換熱器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)管束采用叉排布置、管間距為8.5 mm時換熱器的性能最佳.梁江濤[10]通過試驗與模擬的方法，研究了翅片式氟塑料換熱器的換熱性能，發(fā)現(xiàn)管橫向間距為5 mm時流動換熱綜合性能最優(yōu)，但未提及翅片與氟塑料管的接觸熱阻.在氟塑料換熱器的氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)方面，JIN Z.L.等[11]研究了石墨和碳纖維填充對氟塑料復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)石墨和碳纖維最佳體積分數(shù)分別為17.76%和10.00%，氟塑料復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.210 W·(m·K)-1提升至1.353 W·(m·K)-1.

可見，有關(guān)氟塑料換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域拓展、管束結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、材料導(dǎo)熱系數(shù)提升等的研究較多，對于翅片管氟塑料換熱器，尤其是氟塑料復(fù)合材料換熱器的流動換熱性能方面研究不足.筆者擬定量比較典型金屬換熱器與氟塑料換熱器的熱阻占比，獲得氟塑料換熱器傳熱強化方向，提出一種降低氟塑料翅片與氟塑料管接觸熱阻的方法，并對翅片管普通氟塑料和石墨烯氟塑料復(fù)合材料換熱器的流動傳熱進行模擬研究，分析翅片結(jié)構(gòu)、氟塑料管間距和氟塑料材質(zhì)種類等參數(shù)對翅片管氟塑料換熱器流動傳熱性能的影響，以期為氟塑料換熱器的工程應(yīng)用提供理論支撐.

1 熱阻比較

以管外側(cè)面積為基準，光管間壁式換熱器的總熱阻Rt計算公式[12]為

(1)

式中：下標i和o分別代表管內(nèi)側(cè)和管外側(cè)；h為對流換熱系數(shù)，W·(m2·K)-1；r為污垢熱阻，K·m2·W-1；d為換熱管管徑，mm；λ為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；l為管長，m.其中管外空氣側(cè)和管內(nèi)水側(cè)的平均對流換熱系數(shù)hav依據(jù)努塞爾數(shù)計算得到[12]：

(2)

(3)

空氣側(cè)和水側(cè)定性尺寸分別為管外徑和管內(nèi)徑，二者定性溫度分別為空氣側(cè)和水側(cè)進出口平均溫度，管壁側(cè)定性溫度近似為流體進出口平均溫度.計算式應(yīng)用范圍如下：Rea=1×103～2×105，Pra=0.6～500.0；Rew=2.3×103～1.0×106，Prw=0.6～1.0×105，Prw/Prw,b=0.05～20.00.換熱器熱阻計算中，空氣側(cè)迎面風(fēng)速ua和水側(cè)水速uw分別為3～10 m·s-1和0.3～1.0 m·s-1，ri和ro分別為1.7×10-4和3.5×10-4m2·K·W-1[12]，氟塑料和不銹鋼的λ分別為0.22和16.30 W·(m·K)-1[13].

圖1為氟塑料換熱器的分熱阻值R及其占比與風(fēng)速的關(guān)系曲線.經(jīng)校核，計算工況內(nèi)空氣側(cè)和水側(cè)參數(shù)均滿足計算模型應(yīng)用范圍.值得說明的是，式(2)中空氣側(cè)Rea計算時采用最小截面風(fēng)速；考慮到式(2)適用于金屬換熱器，對氟塑料換熱器空氣側(cè)換熱系數(shù)的計算值進行了修正，修正系數(shù)為0.74[14].

圖1 氟塑料換熱器分熱阻值及其占比與風(fēng)速關(guān)系曲線

圖2對比了典型工況下氟塑料換熱器和金屬換熱器的熱阻對比.由圖1和2可以看出：與金屬換熱器類似，氟塑料換熱器管外空氣側(cè)熱阻為主要熱阻；當ua=3～10 m·s-1時，空氣側(cè)熱阻占比為55.0%～72.0%，平均占比超過60.0%；水側(cè)熱阻和污垢熱阻占比都很小，二者占比范圍皆為3.5%～7.0%.和金屬換熱器管壁熱阻可忽略的結(jié)論不同，氟塑料換熱器管壁熱阻占比較大.當ua為3～10 m·s-1時，氟塑料換熱器管壁熱阻占比為24.0%～40.0%，平均占比超過30.0%.由此可見，金屬換熱器需強化管外空氣側(cè)換熱，氟塑料換熱器則需同時強化管外空氣側(cè)換熱和減小管壁導(dǎo)熱熱阻才能獲得更佳換熱性能.

圖2 氟塑料換熱器與金屬換熱器熱阻對比

2 換熱器流動傳熱性能模擬

由熱阻分析可知，氟塑料換熱器換熱性能的提升需要從減小管外空氣側(cè)換熱熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻兩方面著手.本節(jié)采用石墨烯氟塑料管和串片式氟塑料翅片，期望分別降低管壁導(dǎo)熱熱阻和管外空氣側(cè)換熱熱阻.

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，翅片管氟塑料換熱器很少被應(yīng)用于工程中，主要是由于翅片固定困難及翅片與管間接觸熱阻高.為此，筆者提出一種氟塑料翅片固定和降低翅片與管間接觸熱阻的方法.圖3為氟塑料翅片與管緊密固定連接示意圖.

圖3 氟塑料翅片與管緊密固定連接示意圖

由圖3可知：在翅片上沖壓一定數(shù)量的支撐桿孔，相鄰兩個翅片之間設(shè)置固定圈，固定圈長度與翅片間距相等，固定圈套在支撐桿上，支撐桿兩端固定在換熱器端板上，從而實現(xiàn)翅片固定；翅片上換熱管的管孔內(nèi)圈為通孔，管孔外圈直徑為換熱管外徑，管孔內(nèi)外圈間的氟塑料沖壓出壓痕，根據(jù)經(jīng)驗和經(jīng)濟性決定內(nèi)圈直徑、壓痕數(shù)量、壓痕深度和壓痕長度；換熱管外壁與翅片接觸處加工卡槽，卡槽深度與翅片上管孔內(nèi)外圈半徑差值相當，寬度與翅片厚度相當；當換熱管穿過管孔時，氟塑料從壓痕處撐開后嵌入換熱管卡槽內(nèi)，從而使翅片與換熱管緊密接觸，降低接觸熱阻.

2.1 物理模型、計算區(qū)域及邊界條件

模擬研究中翅片管氟塑料換熱器模型如圖4所示.管束布置為叉排.氟塑料換熱器物理參數(shù)如下：管內(nèi)徑di和外徑do分別為4 mm和6 mm，管縱向間距S1和橫向間距S2分別為12～20 mm和10～14 mm；翅片間距Sf和翅片厚度δf分別為5～9 mm和0.8～1.2 mm.認為翅片與換熱管緊密接觸，忽略接觸熱阻.

圖4 翅片管氟塑料換熱器模型示意圖

考慮到換熱器結(jié)構(gòu)的對稱性與周期性，確定的計算區(qū)域和邊界條件如圖5所示.

圖5 計算區(qū)域及邊界條件示意圖

圖5中，計算區(qū)域包括翅片側(cè)固體域和空氣側(cè)流體域，流體域空氣物性參數(shù)根據(jù)空氣進出口平均溫度確定，固體域材料參數(shù)根據(jù)材質(zhì)確定.試驗工況參數(shù)如下：普通氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)為0.220 0 W·(m·K)-1，石墨烯氟塑料導(dǎo)熱系數(shù)為0.365 5 W·(m·K)-1(石墨烯質(zhì)量分數(shù)約為1.4%)[15]；邊界條件中，流道進口采用速度入口，空氣迎面風(fēng)速ua為3～10 m·s-1，進口溫度為343.00 K，流道出口為壓力出口，翅片和流體區(qū)域的交界面為耦合傳熱面，假定管內(nèi)壁溫為恒壁溫(323.15 K)；上下表面為周期性邊界條件.考慮到計算區(qū)域為充分發(fā)展和避免出口段發(fā)生回流現(xiàn)象，對模型空氣入口段和出口段長度分別延伸了30 mm和100 mm.

2.2 計算方法及數(shù)據(jù)處理

模擬所用模型為三維、常物性、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)模型，具體參數(shù)參見文獻[10].通過ICEM對計算區(qū)域網(wǎng)格進行劃分，六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，對塑料管與翅片接觸附近區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，采用Merge方式進行網(wǎng)格組合.控制整個計算區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.3，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，確定網(wǎng)格數(shù)量為60～70萬個.為保證計算精度和收斂穩(wěn)定性，采用分離求解器，湍流模型選擇標準k-ε方程模型，壓力和速度的耦合采用Simplec算法，壓力離散方式采用二階離散，能量和動量離散方式均采用二階迎風(fēng)格式.

通過Fluent對不同工況參數(shù)下氟塑料換熱器流動傳熱特性進行計算，由以下公式對數(shù)據(jù)進行處理：

(4)

(5)

(6)

(7)

Δp=pin-pout，

(8)

式中：ρ為空氣密度，kg·m-3；uc為最小截面風(fēng)速，m·s-1；Dp為翅片當量直徑，m；μ為空氣動力黏度，Pa·s；ΔTm為對數(shù)平均溫差，K；Tw為壁面溫度，K；Tin、Tout分別為空氣進、出口溫度，K；ho為空氣側(cè)傳熱系數(shù)，W·(m2·K)-1；qm為空氣質(zhì)量流量，kg·s-1；cp為空氣定壓比熱容，J·(kg·K)-1；Ao為空氣側(cè)換熱面積，m2；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；pin、pout分別為空氣進、出口壓力，Pa；Δp為壓降，Pa.

3 模擬結(jié)果分析

描述翅片管氟塑料換熱器的流動換熱關(guān)聯(lián)式缺乏，通用性和精準性都較好的流動換熱器關(guān)聯(lián)式更少.為此，筆者首先按照金屬換熱器進行模擬，將模擬結(jié)果與文獻[13]中的流動換熱關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果進行比較.計算工況范圍內(nèi)，Nu值和壓降的絕對相對誤差范圍分別為6.4%～17.0%和2.5%～16.0%，模擬結(jié)果與關(guān)聯(lián)式吻合較好，說明所建模型的可靠性和精確性較好.

3.1 翅片參數(shù)對傳熱及阻力的影響

圖6為δf=1.0 mm，S1=20 mm，S2=10 mm時，不同翅片間距下Nu值和壓降隨迎面風(fēng)速變化的曲線.圖7為Sf=5 mm，S1=20 mm，S2=10 mm時，不同翅片厚度下Nu值和壓降隨迎面風(fēng)速變化的曲線.

圖6 不同翅片間距下Nu和壓降隨風(fēng)速變化曲線

圖7 不同翅片厚度下Nu和壓降隨風(fēng)速變化曲線

由圖6可知：翅片間距一定時，壓降隨著迎面風(fēng)速增大而增大；相同迎面風(fēng)速下，隨著翅片間距增大，Nu值增大而壓降減小.由圖7可知：翅片厚度一定時，Nu值和壓降隨著迎面風(fēng)速增大而增大；相同迎面風(fēng)速下，隨著翅片厚度增大，Nu值和壓降均略微增大.可見，翅片間距對Nu值和壓降的影響較大，而翅片厚度對Nu值和壓降的影響較小.這是因為翅片厚度的變化對迎面風(fēng)速和流通截面影響不大，翅片熱阻也增加不大，從而對Nu值和壓降的影響較??；翅片間距增加時，相同迎面風(fēng)速下翅片間風(fēng)量和流通截面加大，從而導(dǎo)致Nu值增大，而壓降減小.

3.2 管間距對傳熱及阻力的影響

圖8為Sf=5 mm，δf=1.0 mm，S2=10 mm時，不同管縱向間距下Nu值和壓降隨迎面風(fēng)速變化的曲線.圖9為Sf=5 mm，δf=1.0 mm，S1=20 mm時，不同管橫向間距下Nu值和壓降隨迎面風(fēng)速變化的曲線.由圖8可知：相同縱向間距下，Nu值和壓降均隨迎面風(fēng)速的增大而增大；相同迎面風(fēng)速下，縱向間距增大，Nu增大，壓降減小.

圖8 不同管縱向間距下Nu和壓降隨風(fēng)速變化曲線

圖9 不同管橫向間距下Nu和壓降隨風(fēng)速變化曲線

由圖9可知：相同橫向間距下，Nu值和壓降均隨迎面風(fēng)速的增大而增大；相同迎面風(fēng)速下，橫向間距增大，Nu減小，壓降基本不變.分析認為：隨縱向間距增大，空氣側(cè)換熱面積、風(fēng)量和空氣流通空間增加，使得Nu增大而壓降減?。浑S橫向間距增大，相同迎面風(fēng)速下翅片間空氣流通空間加大，但風(fēng)量不變，氣流擾動減弱，導(dǎo)致Nu減小，而壓降變化很小.

根據(jù)文獻[16]，從相同輸送功率下傳遞熱量的觀點中引入綜合性能系數(shù)，以管縱向間距20 mm、橫向間距10 mm、翅片間距5 mm和翅片厚度1.0 mm作為基準條件，進行計算.計算后發(fā)現(xiàn)，本試驗工況下，翅片間距為9 mm，翅片厚度為1.2 mm，管橫向間距為10 mm，縱向間距為20 mm時，翅片管氟塑料換熱器的綜合性能最好.

3.3 傳熱性能對比

為比較不同類型氟塑料換熱器傳熱性能，模擬光管普通氟塑料換熱器、翅片管普通氟塑料換熱器和翅片管石墨烯氟塑料換熱器(石墨烯質(zhì)量分數(shù)為1.4%)在相同工況下的傳熱過程，計算得到3種氟塑料換熱器的總傳熱系數(shù).圖10為Sf=9 mm，δf=1.2 mm，S1=20 mm，S2=10 mm時，不同類型氟塑料換熱器總傳熱系數(shù)對比曲線，其中K為總傳熱系數(shù).

圖10 不同類型氟塑料換熱器總傳熱系數(shù)對比曲線

由圖10可知，與光管普通氟塑料換熱器相比，計算工況下，翅片管普通氟塑料換熱器的總傳熱系數(shù)提升了2.5%～21.0%，翅片管石墨烯氟塑料換熱器的總傳熱系數(shù)提升了16.0%～55.0%.說明強化管外空氣側(cè)的對流換熱和降低管壁導(dǎo)熱熱阻可有效提升氟塑料換熱器的換熱性能.

4 結(jié) 論

1)本試驗計算條件下，氟塑料換熱器管外空氣側(cè)換熱熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻平均占比分別大于60%和30%.相同計算工況下，與光管普通氟塑料換熱器相比，翅片管普通氟塑料換熱器和翅片管石墨烯氟塑料換熱器(石墨烯質(zhì)量分數(shù)為1.4%)的總傳熱系數(shù)分別提升了2.5%～21.0%和16.0%～55.0%.因此，要想提升氟塑料換熱器換熱性能，應(yīng)該同時考慮強化管外空氣側(cè)對流換熱和降低管壁導(dǎo)熱熱阻.

2)翅片厚度、翅片間距和管間距對翅片管氟塑料換熱器流動傳熱性能影響規(guī)律不同，模擬工況范圍內(nèi)，Nu和壓降受翅片厚度的影響可以忽略；Nu隨翅片間距和管縱向間距的增大而增大，壓降則相反；Nu隨管橫向間距的增大而減小，壓降則增大.

3)本試驗?zāi)M條件下，翅片間距、翅片厚度、管橫向間距與縱向間距分別為9、1.2、10和20 mm時，翅片管氟塑料換熱器的綜合性能最好.