翅化比对扁管翅片管性能的影响

卢 芳，苗 刚，张向南，常春梅，邹建东，张彦军

(甘肃蓝科石油化工高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070)

0 引言

随着对环保意识的提高，迫使人们减少污染排放，因此对能源的消耗造成了一定的冲击，这在客观上极大地促进了强化传热技术的研究。随着科技及工业发展的需要，要求换热设备高效并小型化，翅片管换热器成为人们关注较多的一种高效换热器［1－2］。翅片管换热器被广泛地应用于化工、制冷、空调、电站等工业领域，就电站空冷而言，循环水空冷器是电站空冷的一大组成部分，而翅片管作为循环水空冷器的主要核心元件，其性能的优劣直接影响到循环水空冷器的安全运行和经济效益，因此优化翅化比，分析翅片管周围流体状态成为了翅片管加工利用过程中的重要环节［3－5］。

目前有大量文献对圆管翅片管进行了详细地研究和报道，然而对于扁管翅片管的研究相对较少。翅化比直接影响扁管翅片管的换热面积，同时也影响了空气侧压降［6－8］，因此翅化比直接影响到循环水空冷器的换热系数以及风机的选择。鉴于目前有不少循环水空冷器采用扁管翅片管作为传热元件，文中将在确定翅片类型、翅片间距、管径及材料等前提下，着重分析翅片高度不同引起的不同翅化比对扁管翅片管换热的影响。

1 扁管翅片管模型与边界条件

扁管翅片管的结构模型如图1所示，计算区域如图2所示。基管直径5 mm，翅片长度200 mm，翅片厚度0.25 mm，翅片间距2.06 mm。

图1 翅片管结构示意

图2 计算区域

文中选取了流体流动和传热充分发展的区域作为数值模拟对象，根据布管和管外翅片的对称性，以及流体流动与传热的对称性建立周期性单元流道计算模型。为保证无回流，在空气流动的方向上，入口、出口分别作适当的延长。

采用分块划分、结构化和非结构化网格相结合的方式对计算区域进行网格划分。本次计算采用标准的k—ε湍流模型计算湍流参数的影响;采用SMPLE算法处理能量方程和动量方程的耦合问题。为保证求解精度，在求解过程中，当连续性方程和动量方程的残差达到10－3，能量方程的残差达到10－6，且水的出口温度和空气出口温度达到恒定状态时，认为计算收敛［9－10］。

文中分析建立在以下几种假设的基础之上。

(1)在基管长度方向上，空气流经每个翅片通道时为均匀分布;

(2)水冷却过程为稳态过程;

(3)空气侧的流动为不可压缩流体的流动;

(4)忽略热辐射;

(5)不考虑垢阻对换热的影响。

表1列出边界条件，表2列出介质、材料物理性能。

表1 边界条件

表2 介质、材料物理性能

2 计算结果分析

图3示出了翅化比β=14.83时空气侧速度矢量图。空气初始速度(即迎风面风速)为2.78 m/s，当空气进入到翅片通道后，由于空气的流通面积减小，空气速度增加到3.8 m/s，且在背风面存在尾流区，靠近基管外壁的空气流速小，即在靠近基管外壁表层形成了边界层。

图3 β=14.83时空气侧速度矢量图

图4示出翅化比β=14.83时翅片温度场分布，在翅片高度方向上，温度随着翅片高度的增加而减小。迎风面的温度梯度大于背风面，这是因为空气刚进入到翅片通道时，空气与翅片的温差较大，其换热较为剧烈;在空气流动的方向上，随着空气与翅片换热的进行，空气的温度逐渐上升，而翅片的温度则逐渐下降，两者之间的温差越来越小，换热效果减弱。

图4 β=14.83时翅片温度分布图

3 试验方法

实验装置［11］如图5所示，由换热单元、水泵、水箱以及加热器组成一个水的循环系统。水从水箱内进入换热单元进行换热后重新进入水箱;冷空气由风机鼓入换热单元进行换热后由出风口流出。水的流量由阀门控制，并由转子流量计测量，空气的流量则由风机转速调节，并通过流量计监测其流量。水的进出口温度、空气进出口温度均有电子温度计进行测量。

图5 实验装置示意

本次试验所采用的换热单元为翅化比β=14.83的扁管翅片管，测定了不同风速对空气侧压降和换热系数的影响，并与数值模拟结果进行比较，如图6，7所示。观察图6可以看出，随着风速的增加，空气侧的压降增大，试验值与数值模拟值基本吻合;由图7可以看出，提高风速其换热系数增大，试验值与数值模拟值基本吻合。经计算，换热系数模拟结果与试验数据误差为5%～15%，空气侧压降模拟结果与试验数据误差为5% ～18%，证明了该模拟方法的正确性。

图6 不同风速对空气侧压降的影响

图7 不同风速对换热系数的影响

4 不同翅片高度对扁管翅片管性能的影响

采用相同的数值模拟方法，修改计算模型，分别建立翅化比为4.56，6.67，8.96，11.16，13.36，14.83，15.57，17.77，19.97 等 9 个计算模型，并对其进行数值计算。

不同的翅化比对空气侧空气流速的影响如图8所示。在迎风面风量不变的情况下，随着翅化比值的增大，翅片间空气流速逐渐减小。这是由于在翅片厚度以及翅片间间距固定的情况下，随着翅化比值的增高，其翅片的增高，翅片间空气流通的面积增大，从而使得空气在翅片间的流速减小。由图8可以看出，随着翅化比值的增高，翅片高度的增加，其空气侧边界层厚度逐渐增加，这是因为翅片间空气流速越大，其湍流强度越大，从而减薄了边界层厚度;反之，翅片间空气流速越小，其湍流强度小，从而增加了边界层厚度。图9示出翅化比对空气侧压降以及空气流速的影响。从图9可以看出，由于空气侧压降与空气流速成正比，所以随着翅化比值的增加，翅片高度增加，空气流速降低，空气侧压降也逐步降低。

图8 不同翅化比对空气侧空气流速的影响

图9 空气流速及空气侧压降与翅化比的关系曲线

图10示出翅化比对翅片管换热系数的影响。观察图10可以看出，在空气迎风面风速不变的情况下，当翅化比β＜13.36时，影响翅片管换热系数的主要因素是换热面积大小，翅片管的换热面积随着翅化比的增大而增大，所以翅片管的换热系数也随着翅化比的增大而增大;当翅化比β≈13.36时，其换热系数达到最大值;当翅化比β＞13.36时，影响翅片管换热的主要因素为翅片间空气流动的速度，所以翅片管换热系数随着翅化比的增大而减小。

图10 翅化比对翅片管换热系数的影响

综上所述，当翅化比在13.36～14.83范围内时，扁管翅片管空气侧压降为68.87～67.58 Pa，翅片管换热系数为 28.46 ～27.67 W/(m2·K)，综合考虑认为，翅化比在13.36～14.83之间较为合理。

5 结论

经计算，换热系数模拟结果与试验数据误差为5%～15%，空气侧压降模拟结果与试验数据误差为5% ～18%，证明该模拟方法的正确性。在迎风面风速不变的情况下，空气侧压降与翅化比成反比，随着翅化比的增大，翅片间空气流速降低，其湍流强度减弱，边界层增厚，空气侧压降降低;在翅化比β≤13.36时，换热面积是影响扁管翅片管换热系数的主要因素，随着翅化比的增大换热面积增大，换热系数增大;在翅化比为13.36时，其换热系数达到最大值;当翅化比β＞13.36时，影响扁管翅片管换热系数的主要因素为翅片间的风速，随着翅化比的增大翅片间风速减小，其换热系数减小。综上所述，翅化比在13.36～14.83时扁管翅片管的性能达到最好，其空气侧压降为 68.87 ～67.58 Pa，换热系数为 28.46 ～27.67 W/(m2·K)。

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