空冷散熱器開縫翅片管束外空氣流動傳熱特性研究

張薇，杜小澤，楊立軍

1.華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京1022062.華北水利水電大學環境與市政工程學院，河南鄭州450001

?

空冷散熱器開縫翅片管束外空氣流動傳熱特性研究

張薇1，2，杜小澤1，楊立軍1

1.華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京102206
2.華北水利水電大學環境與市政工程學院，河南鄭州450001

摘要：在傳統平直翅片上表面上開孔、開縫是有效強化翅片管空氣側傳熱的方法。通過對典型空冷翅片管束的流動傳熱性能進行數值模擬得到開縫翅片管束的流動阻力和傳熱系數隨迎面風速變化規律，擬合得到了流動摩擦因子和努謝爾特數隨雷諾數的無因次關系式。結果表明：隨著迎面風速加大，空氣會對換熱阻力產生不同程度的影響，但換熱性能的增加幅度高于壓降的增加幅度。模擬結果與試驗結果吻合較好。

關鍵詞：空冷散熱器；開縫翅片管；流動傳熱性能

翅片管是一種常見的間壁式換熱器，廣泛應用在空調制冷、化工、汽車等領域的換熱器中。其管內側為單相或相變流體，管外側為空氣、煙氣等氣體介質。由于翅片管換熱器管外側的氣體換熱熱阻在換熱器熱阻中占主要的比重，往往通過改進管外側的翅片形式來提高氣體側的換熱系數。在普通的平直翅片上表面上開孔、開縫是一種有效的強化空氣側傳熱方法。對開縫翅片的研究，文獻［1，2］給出了單向和雙向開縫翅片實驗關聯式，但由于開縫翅片結構復雜，尺寸參數不同程度影響其流動和換熱。He等學者［3］選擇了場協同原理作為切入點，針對平翅片管展開數值模擬研究，并對雷諾數與翅片參數對翅片管換熱性能產生的作用深入分析。學者Mon和Gross［4］則選擇4排環形翅片管錯列及順列布置這一狀態下，其管束性能展開數值與流場等一系列可視化的實驗與研究。Yan和Sheen［5］兩位學者借助實驗對比的辦法，對平翅片、波形翅片、百葉窗翅片的管束換熱器性能展開研究與分析，最終經過數據分析獲得對流換熱系數和壓降與迎面風速的關系。學者楊立軍等［6］采用數值模擬研究的辦法，對間接空冷系統空冷散熱器翅片管束流動傳熱性能展開深入研究。學者黨艷輝等［7］就翅片上有無擾流孔矩形翅片表面的傳熱系數展開分析，并總結其分布規律。綜上關于翅片管束流動傳熱性能的研究不少，但針對電站空冷換熱元件的研究不多，加上空冷散熱器結構形式多樣，現有的數值研究對翅片管模型過于簡化。本文擬通過數值模擬結合實驗研究獲得常用福哥型四排開縫翅片管散熱器的性能參數，為電站冷端系統設計、運行和系統優化提供參考。

1　物理數學模型

1.1物理模型間冷基本換熱元件

空冷四排管換熱器為圓形鋁管鋁翅片散熱器，外形圖如圖1所示，空氣外掠交錯布置的四排管束，翅片管基管管徑為25 mm，基管壁厚1.5 mm，開橋高度為2 mm，開橋寬度2.75 mm。翅片采用開橋設計以增強擾流效果強化傳熱。該四排翅片管散熱器水側的流通面積有所增加，流動阻力減小，冷卻循環水采用雙流程逆向交叉流。

圖1　基管和四排翅片管外形圖Fig.1 Basic pipes and four-row finned tubes

圖2　幾何模型及邊界條件Fig.2 Computational model and boundary conditions

1.2數學模型和邊界條件

空冷散熱器的圓形基管借助導熱來實現管內水帶有的熱量的傳遞，使得鋁翅片獲得熱量，基管與翅片則借助對流的辦法進一步將熱量傳遞，使得外掠空氣獲得熱量，這一過程是實現了空氣對流換熱和固體導熱相互耦合。因為翅片管換熱器所帶有的幾何結構具有一定的周期性與對稱性，因此可以選擇翅片管的對稱部分展開分析，構建起研究模型，具體如下圖2所示。所有的計算區域可以劃分為三大部分，依次為進口、中間、出口部分，并構建成網絡狀。為了降低入口駐點與出口回流所帶來的干擾，分別將其延長到80 mm與160 mm。借助多種網格書面來展開模擬計算，以次來確知其與網格是否有關［8］，確保計算結果不會被網格質量與疏密程度所干擾，最后明確模型的總網格數為10，607，540個。計算域采用速度入口，空氣迎面風速在0.5～2.4 m/s范圍內變化，空氣入口溫度為25.5℃，出口為壓力出口邊界條件，上下為周期性邊界，前后為對稱性邊界。通用的控制方程為：

ρ代指密度；uj則是xj方向的速度分量；φ、Гφ與Sφ依次表示控制變量、擴散系數、源項。

2　結果和討論

2.1數據整理

參照文獻《火力發電廠空冷塔及空冷凝汽器試驗方法》（DL/T552—95）中空冷散熱器試驗室熱力及阻力性能試驗數據來展開各項資料的整理。借助對各個迎面風俗下空氣降壓與進出口溫度展開計算，從而獲得到壓降和對流換熱系數與迎面風速變化之間的關系，進而擬合獲得努賽爾特數和摩擦因子的特征數關聯式。整理數據的具體方法如下：

在此公式內，pin是入口空氣平均總壓；pout是出口空氣平均總壓。

式中，Q為傳熱量；A為模型翅片管外表面積；△Tm為傳熱對數平均溫差。

式中，Tw為基管內表面壁面溫度；Tin為進口空氣溫度；Tout為出口空氣溫度。

式中，u代表的是翅片間最小流通截面上的流速；D代表的是翅片管特征尺寸，取圓管外徑；v代表的是空氣運動黏度。

采用強化傳熱綜合性能評價準則數（performance evaluation criteria，PEC）來作為標準，綜合評價翅片管束的換熱流動性能的綜合流動傳熱性能。

2.2流場和溫度場

圖3為在迎面風速1.5 m/s時開縫翅片四排管束的流場、溫度場云圖。從圖中可以看出，空氣在流經圓管附近流速因流道面積減小流速增大，但由于擾流孔的作用在流通區域流速接近均勻，在擾流孔的兩端流速因邊際效應較高，基管后部的尾渦得到改善。基于擾流孔對邊界層的干擾和摻混效應，溫度場在整個翅片上的分布得到改善，從而翅片管平均傳熱性能得以提高。

圖3　開縫翅片四排管周期面的流場和溫度場Fig.3 Velocity magnitude and static temperature of four-row tubes with slotted fins

2.3數值模擬結果分析

根據模擬結果，計算工況下翅片管的壓降和傳熱系數隨空氣迎面風速的變化規律如圖4和圖5所示，由圖可見：在迎面風速不斷加大的過程中，四排管具有的流動阻力與傳熱系數都會相應變大。其中隨換熱系數的增加較壓降的增加明顯。模擬值和實驗值的對比分析表明：模擬值和實驗值吻合較好。在相同的迎面風速下，模擬傳熱系數比試驗傳熱系數高4.30%～15.76%；模擬阻力高于試驗阻力2.57%～14.01%。

計算得到摩擦因子、努謝爾特數隨雷諾數變化規律如圖6所示，結果表明：f隨Re增加明顯降低，在低Re時尤為顯著；與之相反，Nu隨Re增加而升高。PEC能夠全面體現流體流經傳熱表面時單位功耗的對流換熱狀況，PEC越高則意味著管束的綜合熱力性能越趨于優良。由圖6（c）可見隨Re增加而增加，翅片綜合流動傳熱性能增強，即傳熱性能提高的幅度優于流動阻力的增加。

圖6　摩擦因子,努謝爾特和PEC隨Re的變化關系Fig.6 Friction factor, Nusselt and PEC number versus Reynolds number

2.4特征數關聯式

將數值模擬最終的結果里有關壓降、對流換熱系數于性能評價指標與迎面風速的變化關系借助擬合得到摩擦因子、努謝爾特數、性能指標隨雷諾數變化的無因次關系式，見式（9）～（11），可用于該間冷換熱器的設計和校核計算。

對于圓管翅片管束，關聯式的適用范圍為：1000≤Re≤18000。

3　結論

通過對空冷換熱器四排開縫翅片管束的流動傳熱性能進行數值模擬，從而得到四排管空冷散熱器的流動阻力與傳熱系數和迎面風速變化之間的關系，并擬合獲得摩擦因子和努謝爾特數隨雷諾數的無因次關系式，該結論可用于間接空冷系統的設計和校核計算。經數據分析和實驗比較發現：間接空冷換熱器四排管的換熱性能和壓降隨著迎面風速的增大而增大，整體流動換熱性能有所提高。模擬結果和實驗值吻合較好，在相同的迎面風速下模擬傳熱系數比試驗傳熱系數高4.30%～15.76%；模擬阻力高于試驗阻力2.57%～14.01%。

參考文獻

［1］Wang CC，Lee WS，Sheu WJ. A comparative study of compact enhanced fin-and-tube heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44（18）：3565-3573

［2］Yun JY，Lee KS. Influence of design parameters on the heat transfer and flow friction characteristics of the heat exchanger with slit fins［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（14）：2529-2539

［3］He YL，Tao WQ，Song FQ，et al. Three-dimensional numerical study of heat transfer characteristics of plain plate fin-and-tube heat exchangers from view point of field synergy principle［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow，2005，26（3）：459-473

［4］Mon MS，Gross U. Numerical study of fin-spacing effects in annular-finned tube heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47（8-9）：1953-1964

［5］Yan WM，Sheen PJ. Heat transfer and friction characteristics of fin-and-tube heat exchangers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43（9）：1651-1659

［6］楊立軍，賈思寧，卜永東，等.電站間冷系統空冷散熱器翅片管束流動傳熱性能的數值研究［J］.中國電機工程學報，201 2，32（32）：50-57

［7］黨艷輝，明廷臻，劉偉，等.開孔矩形翅片橢圓管流動及傳熱特性的數值模擬［J］.化工學報，2009，60（12）：2975-2980

［8］Roache PJ. Perspective：a method for uniform reporting of grid refinement studies［J］. Journal of fluid engineering，1994，116（9）：405-413

Study on Characteristics of Flow Heat Conduction outside the Pipe Bundle of Air-cooled Radiator with Slotted Fins

ZHANG Wei1，2，DU Xiao-ze1，YANG Li-jun1

1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，Ministry of Education/North China Electric Power University，Beijing 102206，China
2. School of Environmental and Municipal Engineering/North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China

Abstract：It is an effective way to slot or punch on a plain fin surface for improving heat conduction performance. This paper obtained the variation laws of resistance and heat conduction coefficient with the frontal velocity outside a pipe bundle of a radiator with slotted fins from the numerical simulation for flow heat conduction characteristics of typical air-cooled pipe bundle and got a no-causal fitting relationship expression between the friction factor and Nusselt number versus Reynolds number. The results showed that air could make the effect on heat exchange resistance with the increase of the frontal velocity in a certain extent but the increased range in heat exchange was greater than pressure drop. There is a better consistence between simulation and experiment.

Keywords：Air-cooled heat radiator；slotted finned pipe；flow heat conduction performance

中圖法分類號：TK124；TM621

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）03-0452-04

收稿日期：2015-09-12修回日期：2015-11-20

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃：燃煤發電系統冷端高效釋熱、余熱梯級利用及多冷源集成（2015CB251503）；華水青基資助項目：直接空冷系統的優化設計和關鍵技術研究（HSQJ2009024）

作者簡介：張薇（1976-），女，博士研究生，主要從事電站空冷系統研究. E-mail：zhangwei@ncwu.edu.cn