平直翅片管換熱器的換熱性能和壓降特性研究

鄔志偉 向立平,2 林 峰

(1.湖南工業大學土木工程學院，湖南 株洲 412007； 2.湖南科技大學煤礦完全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

提高換熱器換熱效率的關鍵是降低換熱器空氣側熱阻，為了強化空氣側傳熱，許多學者對翅片位置、基管類型、翅片間距等進行了大量的研究[1]。J.Wanga等對翅片形狀為矩形的換熱器換熱能力進行實驗分析，研究發現換熱器的換熱能力與壓降有關[2]。Aytune Erek等利用Fluent軟件對不同翅片形狀的翅片管換熱器的傳熱和阻力特性研究，換熱器的換熱性能隨換熱器長短軸比增大而增加，換熱器阻力特性隨長短軸比增大而減小[3]。何海江等對翅片管換熱器換熱特性進行模擬，發現換熱器空氣側換熱系數和壓降特性隨空氣速度的變化規律[4]。基于以上研究，在冬季工況下，對閉式能源塔的平直翅片換熱器進行研究，分析不同送風溫度、送風速度和翅片間距對換熱器換熱特性的影響。

1 數值模擬

1.1 物理模型

基管為錯排布置，管排數為3排，每排基管數為4。基管為銅管，基管內流體是質量濃度10%的CaCl2溶液，管道外流體為空氣。翅片材料為鋁，閉式能源塔平直翅片管換熱器的尺寸和參數見表1。

表1 翅片管換熱器的幾何參數 mm

1.2 數學模型

為了計算方便，對平直翅片管換熱器的物理模型作出如下假設[5-7]:

1)忽略翅片輻射傳熱和翅片管的污垢熱阻的影響；

2)換熱器基管與翅片的導熱系數為常數，忽略基管軸向導熱對傳熱的影響以及基管之間的熱影響；

3)翅片的導熱是均勻的，不考慮翅片厚度方向的溫度變化；

4)換熱器流場內空氣為不可壓縮的理想氣體。

數學模型的各微分方程如下[7,8]：

YAN Lei, ZHANG Jian-quan, CHEN Hong-qiong, WU Zhen-zhong

1)質量守恒方程。

div(ρU)=0

(1)

2)動量守恒方程。

u-動量方程：

(2)

v-動量方程：

(3)

z-動量方程：

(4)

其中，p為流體的微元上的壓力；fx,fy和fz均為微元體上的體積力；μeff為流體的有效粘度。

3)能量守恒方程。

(5)

1.3 湍流模型的選擇

選用標準的k-ε兩方程模型，主要優點：形式簡單、計算精度高、實用性強[8,9]。在翅片表面近壁面區域，流場空氣速度變化梯度大，分子粘性影響比較大[9]。因此，在翅片表面近壁面區，選擇壁面函數法，可對標準k-ε兩方程模型進行有效的補充[7,11]。基于以上情況，采用壁面函數法和標準k-ε兩方程模型相結合的方法對物理模型進行數值模擬。

1.4 邊界條件

1)邊界條件。

換熱器翅片進口和基管進口的邊界條件為速度入口，k值為0.052 6 m2/s2，ε值為0.005 67 m2/s2；換熱器翅片空氣出口為壓力出口。

2)各種算例的參數設置見表2[5,9]。

表2 各種算例的參數設置

2 閉式能源塔的實驗測試

2.1 實驗系統

如圖1所示，能源塔的結構尺寸：2 230 mm×1 206 mm×2 596 mm，對換熱器進行實驗測量的儀器及精度見表3[11]。

表3 測試儀器及精度

儀器名稱型號測量范圍精度溫濕度儀Testo 175H1-20 ℃～55 ℃±0.4 ℃紅外測溫儀Testo 810-30 ℃～300 ℃±0.1 ℃手持式風速儀TSI83470 m/s～30 m/s±0.01 m/s壓差傳感器C2680 Pa～1 000 Pa±0.4% FS

2.2 測量數據

在進口風速為4.5 m/s，溶液流量為3.5 m3/h工況條件下測試的數據見表4。

表4 實驗測量的數據

3 分析與討論

3.1 換熱性能隨進風速度的影響

在Case1工況下，風速對換熱器換熱影響的變化曲線見圖2，圖3。

進風速度增大，壓降、Nu和換熱系數隨進口風速增大而增大，換熱器隨進風速度增大的幅度較小。當翅片進口空氣風速大于4.5 m/s時，換熱系數和Nu隨著進口空氣速度的增加的趨勢變緩。

換熱器平直翅片表面對空氣的阻力隨進口空氣速度增加而減小，風速增加到4.5 m/s時，換熱器翅片的阻力系數減小的速度變慢。模擬結果和實驗結果的摩擦因子在7%以內，說明軟件模擬的結果比較好。

3.2 換熱性能隨翅片間距的影響

在Case2工況下，翅片間距對換熱器換熱影響的變化曲線見圖4，圖5。

換熱系數、壓降和Nu隨翅片間距增加而減小，換熱系數減小的幅度較大。翅片間距的增加，使得換熱系數和Nu降低，翅片間距增大，翅片數減少，空氣側流通摩擦面積降低，空氣流過基管的擾動減弱，進而降低換熱系數和Nu,使換熱性能降低。

在翅片間距較小時，換熱器平直翅片摩擦因子較大，隨著間距增大，摩擦因子降低。模擬結果和實驗結果的摩擦因子相差不到5%，用CFD對換熱器物理模型模擬的可靠性較高。

3.3 換熱性能隨進風溫度的影響

在Case3工況下，進風溫度對換熱器換熱影響的變化曲線見圖6，圖7。

換熱器換熱系數和Nu隨著進口空氣溫度增加而先增后減，適當提高進風溫度，有利于提高換熱系數和Nu。換熱器翅片進風溫度越高，翅片管換熱器換熱能力越強。壓降隨進風溫度增大而增大，閉式能源塔系統浪費的機械能增加。

進口空氣溫度升高，換熱器翅片表面的摩擦因子隨之增大。模擬結果和實驗結果的摩擦因子相差在5%以內，模擬計算準確性比較高。

4 結語

1)平直翅片管的換熱能力隨進口空氣速度的增大而先增后減。進口空氣速度越大，壓降也就越大，系統損失的能量也越多。進口風速越大，摩擦因子反而越小。2)隨著翅片間距的增大，閉式能源塔系統的換熱器換熱性能降低。當翅片間距很小時，翅片的摩擦因子比較大，當翅片的摩擦因子越小，翅片的阻力特性降低。所以選擇合適的間距，使得閉式能源塔平直翅片管換熱器的換熱能力大幅度提升。3)進風溫度越高，換熱性能先增后減，壓降一直在增加，摩擦因子也一直增加，系統損失的機械能也加大。實驗值與模型預測值吻合比較好，模擬計算可靠性比較高。