非对称翅片管换热器的实验及流场分析

王云雷 杨心慰 刘博涛 时 颖

(1.河北建筑工程学院能源与环境工程学院;2.河北建筑工程学院经济与管理学院,河北 张家口 075000)

非对称翅片管换热器的实验及流场分析

王云雷1杨心慰1刘博涛1时 颖2

(1.河北建筑工程学院能源与环境工程学院;2.河北建筑工程学院经济与管理学院,河北 张家口 075000)

提出设计一种新型非对称翅片管式换热器，通过对非对称式翅片管不同工况进行实验，研究其传热过程和传热效果.通过对传热系数的计算，比较其与环状翅片管管束和光管管束的传热性能.并且利用ANSYS对三种换热器进行数值模拟，分析其流场.结果表明：非对称翅片管对流体的扰动要强于环状翅片管和光管，在相同参数条件下，非对称翅片管换热器的换热效果优于环状翅片管和光管式换热器.

非对称翅片管；换热效果;流场分析

0 引 言

翅片管式换热器在动力、化工、制冷等工业中有广泛的应用[1]，用翅片扩大换热管表面积和促进介质的紊流，从而提高传热效率，直至目前这一方法仍是所有各种管式表面强化传热方法中运用最为广泛的一种.几十年来，人们在改进翅片形状、管束排列方式等方面进行了大量研究[2-10].

按翅片表面形式的分布，换热器可分为对称翅片和非对称翅片.非对称翅片主要包括管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片和开缝形式非对称的翅片[11].目前，关于开缝式非对称翅片管换热性能的数值模拟的研究有一些[12-14]，但是对管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片的研究却不是很多，这种非对称翅片符合上述强化传热的方法.因此，本文设计了一种设计非对称翅片管换热器，对其进行实验并且通过数值模拟分析其流场，研究其强化传热.

1 换热器实验设计[15]

1.1 换热器设计

本文设计的非对称翅片的形状和管束排布如图1、2和3，箭头方向为气体来流方向.

图1 非对称翅片形状及尺寸图2 非对称翅片管束排布 图3 非对称翅片管束排布尺寸

11根铸铁材料的翅片管错列分布，第一层和第三层各有4根管子，中间一层3根管子，中间层的管束与上下两层错列布置，并且其翅片与上下两层的翅片叉排布置，组成换热器.每层管束之间用连箱连接，并联在一起.热水由一侧进入，由三根管子分别进入三层管束，从另一侧流出汇集到一起返回水箱.

在翅片顶端及根部布置测点，并且用K型热电偶对测点、换热器水侧和空气侧进出口进行温度测量，并且为确保准确性，多次测量求得平均值.

对流换热系数采用计算式：

h=φ/AΔt

(1)

式中：φ——换热量；A——换热面积；Δt——传热温差.

实验流程：水在水箱中经过加热，通过水泵进入换热器的管束中，风机直吹换热器表面，翅片延伸方向迎着来流空气，空气与翅片和水形成强制对流换热，水从换热器出口流出，流回水箱.

图4 实验流程图

工况1工况2工况3工况4水进口温度/℃54626464风速/m/s3.683.683.681.64

表2 实验结果

1.2 实验结果

本实验做了一下4种工况：

以非对称翅片管换热器翅片管总表面积A(A=0.881m2)为基准求得对流换热系数ht，以光管外表面积As(As=0.414 7m2)为基准求得对流换热系数hs，如表2.

为了对比，根据参考文献[16]和[17]中推荐的公式分别对相同参数条件下的光管管束和环形翅片管管束的换热系数进行理论计算.由于文献中所给公式是在最佳条件下所得，因此理论计算光管和环形翅片管束的对流换热系数要优于对其进行实验所得的结果.对比结果如下：

1)相同参数条件下，非对称翅片管换热效果优于光管管束.

图5 传热系数对比图

2)相同参数条件下，非对称翅片管换热效果优于环状翅片管束.

图6 传热系数对比图

2 流场分析

2.1 流体模型

为了更好地进行理论分析，选取了所有管子的一段，利用ANSYS进行数值模拟，对其进行流场分析，其中上下两排带两个翅片，中间一排载有一个翅片.如图7.

流体模型为长方体：x:-0.17～0.07m;y:-0.21～0.07m;z:-0.001～0.029m布尔运算Substract减去中间的翅片管模型，得到流体模型，如图8.

图7a侧视图 图7b主视图

由于非对称肋片的不规则形状，因此采用自由网格free的划分形式.网格结果如图9.

2.2 结果分析

为了更好的进行分析，相同条件下，对环状翅片管以及光管换热器也进行了数值模拟.

1)与环状翅片管进行对比.

对风速3.68m/s情况流场进行模拟，z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度云图如下：

图8 流体模型 图9 网格划分

图10a非对称翅片速度云图 图10b环状翅片速度云图

由图10可以看出，环状翅片管束的蓝色部分速度很小、接近为零的尾流区比非对称翅片管束的多，说明环状翅片管束中，低速旋涡区中的尾迹流与分流束之间的混合没有非对称翅片管强，从而更加影响换热效果，进而证明了非对称翅片管的换热优于环状翅片管.

z=0.001m(翅片所在截面)截面的速度云图如下：

图11a非对称翅片管速度云图图11b环形翅片管速度云图

由以上两图可知，在翅片所在平面，环形翅片管束中速度变化较小，而非对称翅片管束中速度变化相对剧烈，扰动更强，可以加强换热效果.

2)与光管管束对比.

在风速为3.68m/s条件下，对光管管束进行流场模拟，其结构尺寸与非对称翅片管束相同.z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度矢量图如下：

图12a非对称翅片管速度矢量图 图12b光管管束速度矢量图

z=0.001m(翅片所在截面)截面时的速度矢量图如下：

图13a非对称翅片管速度矢量图 图13b光管管束速度矢量图

由以上四图可以看出，在z=0.006m截面时，二者的尾流区大致相同，而在z=0.001m时，非对称翅片管束的尾流区减小，而且非对称翅片管束中的速度变化较大，最高速度达到12.16m/s，光管管束速度变化则相对较小，最大速度为7.1m/s.因此，在非对称翅片管束中，流体的扰动要强于光管管束，换热较好.

3 结 论

1)实验证明了在一定条件下，非对称翅片管式换热器的换热效果优于环状翅片管以及普通光管式换热器.

2)通过进行数值模拟，对所设计的换热器进行流场分析，从理论上证明了在非对称翅片管换热器中，流体的扰动效果较好，证明了该种换热器的优越性.

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The Experiment and Analysis of Flow Field on Asymmetrical Finned Tube

WANGYun-lei1，YANGXin-wei1，LIUBo-tao1，SHIYing2

(1.School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Architecture;2.College of Economic and Management,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 07500)

In this paper,a new kind of asymmetrical finned tube heat exchanger is introduced.The heat-transferring process and effect of asymmetrical finned tube in four working conditions are studied by experiment.Its heat-transferring performance is compared with ring-fin tube and smooth tube through the calculation of the heat-transferring coefficient.The three kinds of heat exchanger are simulated by using ANSYS and their flow field is analyzed.The results show that the flow disturbance of asymmetrical finned tube is stronger than ring-fin tube and smooth tube,and the heat-transferring effect of asymmetrical finned tube is better than the other two in the same parameters.

asymmetrical finned tube;heat-transferring effect;flow field

2016-05-20

王云雷(1990-)，女，热能工程.

TU 83

A