開縫翅片管式換熱器的換熱與流動特性數值模擬

張小青

摘要：翅片管換熱器是一種高效換熱器，為了進一步強化換熱，對翅片換熱器進行不同形式的開縫。采用CFD模擬方法對七種不同開縫形式的翅片管換熱器流動和換熱進行了數值模擬。根據計算結果分析了不同開縫形式換熱器的壓降和溫度分布，經過比較分析，最終確定了最佳的開縫形式。

關鍵詞：翅片管式換熱器;強化換熱;開縫;CFD模擬

中圖分類號：TK ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）05-0283-02

一、前言

隨著科技、工藝的發展和能源的短缺，工業對換熱器的依賴性越來越大，要求換熱器設備緊湊、高效、輕巧，這促使人們去研究新型高效換熱器，其中翅片管換熱器是人們研究得最多的高效換熱器之一。經過多年的發展，翅片管換熱器的管外翅片由無縫平直翅片發展成波紋翅片、百葉窗式翅片、開孔翅片，開縫翅片等多種高效形式。相關學者對開縫翅片進行了一些研究。蔣翔、李曉欣等人分析了在不同應用條件下翅片管的應用情況，并給出了應用結果，為翅片管換熱器的應用方法提供了借鑒[1];徐百平、吳清鶴等人建立了雙縫翅片管翅式換熱器三維物理模型，對換熱器內的流動與傳熱進行了數值模擬研究。結果表明，雙縫片可使傳熱提高22.7%～42%[2];Ju-Suk B、Jinho L等人通過安排翅片位置和改變翅片特性來研究翅片造成的壓力降和傳熱特性，分別研究了百葉窗式翅片、雙邊開縫翅片、單邊開縫翅片和無縫翅片的JF因子[3]。本文主要是通過對翅片管換熱器進行模擬計算，研究其開縫形式和開縫大小對流動和換熱性能的影響，最終確定合適的開縫翅片形式。

二、翅片管換熱器模型的建立與計算

1.確定模型。本文所研究是某款空調室外機所用的翅片，所選用的翅片管式換熱器初始結構參數如表1所示。

管束采用叉排形式，且成等邊三角形分布，任一相鄰兩管的間距為25mm，管外徑9.52mm，管壁厚1.2mm，翅片厚1mm，翅片間距為3mm。模型構建及數值模擬的部分如圖1所示。

2.分析計算模型的類型。本文主要對五種翅片開縫形式的翅片進行模擬計算，包括無開縫形式、三角開縫形式、橫條開縫形式、豎條開縫形式和橫豎條混合開縫形式，如圖2至圖6。

3.定解條件的設設置。為了進行流體換熱情況和流動阻力的模擬，選中Models中的能量方程求解器。設置管材料選為銅，其熱邊界條件設置為Coupled;設置翅片材料為鋁，根據空調制冷量定管內熱流量，熱流密度為4483.64W/m2;設置進口為質量進口，進口流量為0.00030625kg/s，空氣進口溫度為293K。采用標準k-ε模型進行數值模擬，求解方法選用SIMPLE方法，依次對各個模型進行數值模擬，計算至收斂，最后保存項目。

三、分析計算結果

在計算結果收斂的基礎上，對其中形式的翅片形式進行換熱與流動的分析。各形式翅片的模擬結果如下：

平滑無縫翅片，壓降為25.962Pa，管壁溫度為300.89K;三角形開縫翅片，壓降為25.141Pa，管壁溫度為298.57K;橫條開縫翅片，壓降為37.891Pa，管壁溫度為297.63K;豎條開縫翅片，壓降為24.814Pa，管壁溫度為297.83K;橫豎結合的開縫，壓降為32.936Pa，管壁溫度為297.69K。

1.各種開縫方式的換熱情況對比。從模擬結果不難看出，由于翅片開縫，對空氣流動的邊界層有所破壞，換熱效果都得到了不同程度的加強，相比無縫翅片，其管外壁溫度都有明顯的降低。三角形開縫翅片的換熱效果不如條形開縫效果好;橫條開縫形式的換熱效果和豎條開縫形式換熱效果比較接近。

2.橫條開縫方式和豎條開縫方式的對比。從模擬結果的數據可以看出，當空氣經過橫條開縫時，具有較大的壓力降，說明橫條開縫較豎條開縫對空氣流動產生的阻力更大。橫條開縫方式的管道的迎風面處的壓力梯高于豎條開縫方式。這也是橫條開縫方式的壓力降高于豎條開縫方式的原因之一。同時也證明了管間的豎條開縫，具有一定的導流作用，能一定程度上降低空氣對后排管排的沖刷作用，分散沖向后排管排的空氣。

而橫豎結合的開縫方式，其兩管排間的橫向開縫又影響了這種導流作用，使得換熱器的壓力降較單純的豎條開縫又有所升高。但是從數據對比上來看，它還是比單純的橫條開縫的方式具有更小的壓力降，說明這種導流作用還是起到一定效果的。

3.無縫翅片、三角形開縫翅片以及豎條開縫翅片的研究。從研究得知三角形開縫和豎條開縫方式的進出口壓降甚至比無縫翅片所造成的壓降還要低。這是因為無縫翅片換熱器的壓降主要是由于叉排管束間空氣流動方向變化產生的局部阻力。

三角形開縫方式和豎條開縫方式，使空氣在到達管道迎風面前產生一個導流作用，分散了空氣，減弱了空氣對管道的沖刷。從總體來看，反而這兩種開縫方式產生了更小的阻力壓降，并且還加強了空氣的換熱。

四、結論

（1）橫條開縫較豎條開縫方式具有較大的壓力降，對換熱效果的提高程度高于豎條開縫，但是提升效果有限，總體上看，還是豎條開縫方式最佳。

（2）豎條開縫和三角形開縫方式具有一定的導流作用，能減小后排管排迎風面處的壓降，從而降低整個換熱器的壓降。

（3）推薦選擇的最佳翅片開縫方式為豎條開縫方式。

參考文獻：

[1]蔣翔，李曉欣，朱冬生.幾種翅片管換熱器的應用研究[J].化工進展，2003，22（2）：183-186.

[2]徐百平，吳清鶴，江楠等.雙縫翅片管式換熱器傳熱與流動數值模擬研究[J].化工裝備技術，2007，28（2）：42-47.

[3]Ju-Suk B，Jinho L&Chang-Duk J，et al.A study on airside performance of geometry combination fins using large scale model[J].International Journal of Refrigeration.2006，12：1034-1042.