某工程余熱鍋爐受熱面螺旋翅片管翅片開齒的影響

李洪江 姜紅軍

摘? 要：文章以數值模擬方法定量分析對螺旋翅片管開齒的影響。計算結果表明開齒螺旋翅片管的確在換熱系數上具有優勢，但為了保證這種優勢，參數的優化很重要。

關鍵詞：換熱系數;參數優化;研究

中圖分類號：TK223? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）16-0169-03

Abstract： A 3-dimensional model is simulated for slot-helix finned tube heat exchanger. Compared with the helix finned， the heat transfer is enhanced. But an optimization is needed to maintain this advantage.

Keywords： heat-transfer; optimization; research

引言

開齒螺旋翅片管在各種換熱器中已經得到廣泛的應用，但因為其開齒形式多種多樣，換熱系數和阻力的計算暫無統一的國家標準。由于模型復雜，數值模擬存在不小的難度，通常用實驗的方法估計其換熱系數和阻力系數[1][2]。本文嘗試用數值模擬方法計算翅片換熱量和阻力的可行性，通過對單根螺旋翅片管的模擬來確定開齒的定量影響。計算結果與文獻[1]的實驗數據比較，可得到開齒螺旋翅片管設計的原則。

1 數學物理模型

開齒螺旋翅片管模擬的難點有兩個：首先是開齒部位的處理，這是堪與邊界層高度相比的微細結構，對流動結構、流量又非常重要，在該處必須添加邊界層;其次是翅片節距，在工廠中也取的很小，它確定了體網格也必須足夠細密，以滿足間隙內的網格數量要求。

用ICEM CFD劃分網格如圖 2，添加邊界層網格以后導入fluent計算。用3個節距的翅片，為了避免在邊界處出現狹長薄層，管長略長于3個節距。左邊為入口，右邊為出口，各個側面為對稱邊界條件。翅片材料設定為壁溫300k的鋁，進口邊界是流量11kg/（m2·s）的900k空氣。

2 模型與網格

該模型的難點在于復雜邊界給邊界層網格劃分帶來困擾。從計算壁面換熱的要求來看，第一層網格的y+應該在20左右。但模型中壁面各處流速差異太大，相應的y+也有極大變化范圍。應此，適應壁面各處的統一邊界層網格高度并不存在。

本文通過網格理論和試運算，確定邊界層網格高度的下限為0.2mm，邊界層低于該數值的話，計算結果迅速增大到與實際完全不符的量級。根據網格劃分的一般性規律，確定上限為0.33mm。最后確定所有模型統一取0.3mm高度的第一層網格。從而在無法完全排除網格相關性的情況下求得可相互比較的模擬結果。

由于氣體的流速在壁面函數中很重要，采用理想氣體模型。由于各方向尺度懸殊以及流場和邊界的特點，采用RNG湍流模型，其余未提及的氣體參數和模型均為Fluent默認設置。

3 計算結果與分析

中間截面上的溫度場可以顯示出翅片對流體溫度分布的總體影響，不同翅片附近溫度場的差異，更是換熱效率差異的原因。

3.1 不開齒螺旋翅片管

首先需對螺旋翅片管經行模擬和計算，作為評估開齒效果的基準。

空氣對3個節距翅片的換熱量為631.6w，翅片的平均換熱系數為53.34w/m2。翅片對氣流的阻力為0.0981N。

3.2 開齒螺旋翅片管

開齒以后，流動死區大大減小，雖然相比普通螺旋翅片管減小了翅片面積，但有效換熱面積反而增大了。另一方面，由于開齒破環了連續的附面層，也增大了翅片附近氣流的平均速度，從而增強換熱。

3.3 槽深的影響

夾角和頂端半徑的大小都實際影響到槽寬度大小，由這兩個表可見：槽的寬度，對翅片換熱的影響是決定性的。槽越寬，翅片傳熱能力越弱。寬度過大時，翅片的傳熱能力甚至不如普通螺旋翅片管。這同樣意味著開齒數目的增加，可大幅改善螺旋翅片管的傳熱能力。

槽寬度對流動阻力的影響沒有深度那么大，但其規律性明顯且與上一小節相同：寬槽會帶來更大的流動阻力。按照通常的開齒螺旋翅片管制造方式，槽寬度與開齒數目是密切相關的。這帶來一個疑問：實際制造中，增加開齒數目，槽寬會變小。槽數增加會使阻力增大，而槽寬變小會讓阻力降低，這兩種對阻力相反的影響因素最終導致什么結果，實驗數據可以回答這個問題。

鑒于本文的模型開齒數目不多，相對于開齒數目很多（每節距35～45個槽）的實用型開齒螺旋翅片管，Nu數的比值要低一些，這證實了上一節的結論，因為開齒數的增加和槽寬度的減小都會增強傳熱效率。

本文計算的Eu數比值偏大，這意味著：增加開齒數的情況下，槽寬和槽夾角的減小對阻力起到了決定性的作用，導致阻力降低。

因此，開齒螺旋翅片管的制造當中，在結構強度允許的情況下，開齒數越多，傳熱效率越高，阻力反而越低。

4 結論

開齒螺旋翅片管具有換熱系數大的優點，可有效降低換熱器重量。但槽的參數對換熱系數具有重要影響，換熱效率隨著槽寬度的增大而顯著減小，如果槽的平均寬度過大的話，該開齒螺旋翅片管換熱效率甚至不如普通的不開齒螺旋翅片管。

不改變槽的平均寬度，槽深越小，換熱速率越低，但在一定范圍內調整槽的深度，翅片換熱效率變化不明顯，只是槽深過小時，翅片換熱效率下降很快。

槽的寬度越大，流動阻力越大;槽的深度越大，流動阻力越大。

如何選取復雜壁面的邊界層，決定了壁面換熱問題的計算準確度。而這個領域的研究暫時還不能給工程問題提供簡單易行的解決方案。本文的計算僅表明，經過大量試運算，可以用數值模擬對開齒參數給出有價值的指導意見，也能對不同方案進行比較和篩選。

與實驗值結合，我們可以得出開齒螺旋翅片管的制造原則：開盡可能多的槽，增強換熱效率并降低阻力;槽深不須過大，但不能太淺。

參考文獻：

[1]劉雪玲，李寧，胡亞才.開齒螺旋翅片管換熱器傳熱與流阻性能研究[J].石油化工設備，2004，2：1-3.

[2]王真勇，張正國，高學農.螺旋折流板三維肋翅片管換熱器的傳熱性能研究[J].廣東化工，2008，7：153-170.