全開縫式翅片管換熱器結構參數優化

2020-08-25 09:08:08王鵬超梁靜靜

實驗室研究與探索 2020年6期

王方，王鵬超，徐強，梁靜靜，王恒

（中原工學院能源與環境學院，鄭州450007）

0 引言

隨著我國節能減排目標的提出與實施［1］，節能問題深受各行各業的關注，在建筑能耗問題方面，空調行業占據了重要的一部分，其中，換熱器的換熱性能是空調系統節能與否的主要因素之一。目前，對于空調系統末端設備最常用的換熱器是翅片式換熱器，其主要類型有平直形、條縫形、波紋形、百葉窗形等，由于傳熱效率較低，易積灰塵，阻力較大等不足［2］，發展出了多種新型翅片，旨在通過結構形式的改變來提高翅片式換熱器的綜合換熱性能。Lozza等［3］通過Luve Contardo試驗臺對15根相同管徑、相同尺寸，但不同形狀的翅片式換熱器進行換熱性能測試，發現不同形狀翅片的換熱器，其換熱性能相差較大。王厚華等［4］采用數值模擬的方法將三對稱大直徑圓孔翅片與矩形翅片進行對比，得出其表面傳熱系數比平翅片高25%。Duan等［5］對波紋翅片平板管換熱器翅片側的流動和傳熱特性進行了數值研究，得到了努塞爾數與摩擦系數的關系；Halici等［6］通過實驗研究了平直翅片管式換熱器關于管排數對其換熱性能及流動特性的影響；Liu等［7］提出了對翅片式扁管換熱器的優化方案，進行了傳熱系數和壓力損失的數值計算，并分析了物理性能對換熱的影響。Pis’mennyi等［8］提出了一種新型的非完全翅片扁圓管形式的擴展傳熱面，并與傳統的翅片圓管換熱器進行對比，得出其換熱效果相對較好；費繼友等［9］通過數值模擬計算的方法對平直翅片式換熱器結構形式進行優化，進而提高換熱器的換熱效率；Chu等［10］通過數值模擬和實驗驗證的方法，對比分析了不同翅片間距、管間距及管徑對圓管和橢圓管形式的波紋翅片管換熱器的影響；趙亞萍等［11］通過采用三維數值模擬的方法，對順排、錯排和錯列3種不同排列方式的矩形翅片橢圓管換熱器進行性能分析；章國芳等［12］研究了在順排、叉排兩種排列方式下的翅片管換熱器管外流場速度、摩擦系數等分布特性；何明勛等［13］研究了翅片管換熱器內部流場及溫度場的分布情況，并通過實驗進行驗證。

本文針對全開縫式翅片管換熱器，通過因素分析法對翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、翅片長度、翅片寬度和翅片間距等結構參數優化設計，得出最優結構參數，使其綜合換熱性能達到最佳效果，在滿足環境舒適度的同時，達到節能減排的目的。

1 模型建立

Zhao等［14］研究的矩形翅片橢圓管換熱器模型和楊文靜等［15］研究的圓形翅片換熱器物理模型均已被驗證與實際問題相符，本文所研究的全開縫式翅片管換熱器模型是在兩者的基礎上建立的，因此可間接地驗證為準確可靠的。

1.1 幾何模型

本文主要是在平直翅片管換熱器與開縫翅片管換熱器的基礎上提出的一種新型的全開縫換熱器，圓管從每個翅片中心穿過，管道為四管程錯排形式，材質為銅管，翅片的材質為鋁片，管內流動液態低溫冷水，外側由高溫空氣略過翅片。由于翅片周期性的排列在管外，取相鄰兩排翅片之間的區域為研究對象，通過數值模擬的方法，對翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、翅片長度、翅片寬度和翅片間距等結構參數進行優化。該模型的基本結構圖如圖1所示。

圖1 全開縫式翅片管換熱器基本結構圖

1.2 數值模型

（1）基本假設。翅片管換熱器的換熱過程主要針對如下假設：①流體為不可壓縮流體；②換熱及流動過程為穩態傳熱過程；③銅管與鋁翅片之間不考慮接觸熱阻；④流體水平吹過翅片，且入口處溫度一致；⑤流體、銅管、鋁翅片物性參數均為定值。

（2）網格劃分。根據翅片排列的對稱性及周期性，選取相鄰兩翅片中心面之間的區域為計算域，用ICEM CFD軟件進行模型建立，對固體流域與流體流域進行劃分，并采用結構化網格的劃分方式進行網格劃分，最大網格尺寸不超過1.5 mm，整體網格質量Determinant 3×3×3保持在0.75以上，計算域生成的網格示意圖如圖2所示。

圖2 計算區域網格示意圖

（3）邊界條件。選定計算域的左端面為速度進口，設定速度為2 m／s，溫度為298 K，右端面為壓力出口；前后面均設定為對稱面，上下面為絕熱面；銅管壁面溫度設定為290 K，且翅片與銅管接觸面溫度與銅管溫度一致；與流體接觸的翅片表面傳熱方式為流固耦合傳熱方式。

1.3 正交試驗設計

本文主要是從翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、長度、寬度和間距6種因素對換熱器換熱系數進行分析，同時還要考慮到換熱系數、換熱面積及換熱溫差等對換熱量的綜合影響，每種因素選取5種尺寸，其結構尺寸見表1。

為了快速、高效地得到多因素多水平形式中的最優結果，同時對單個因素獨立分析，與其他因素不發生互交作用，可采用正交試驗設計的方法，利用正交性從試驗中選取出具有代表性的組合。本文是一個6因素5水平的問題，選用正交表L25（56）進行試驗設計，其正交試驗因素分析如表2所示。

表1 換熱器結構尺寸 mm

表2 正交試驗因素水平 mm

2 計算結果及分析

利用Fluent軟件對正交實驗設計得出的25種方案進行數值計算，計算模型選取Laminar模型，求解計算方法采用Coupled算法，其中，梯度項差分采用Least Squares Cell Based格式，壓力項差分采用Second Order格式，動量項和能量項采用Second Order Upwind格式，各項松弛因子采用默認設置。經數值計算得出如表3所示的試驗結果。

正交試驗的25次試驗結果中，將各因素各水平的試驗值累加后求平均值，其結果如表4所示。表4中R為同一因素不同水平之間ki的最大值與最小值之間的差值，即為極差。在同一種因素中，R越大，反映了水平變化對試驗結果的影響越大；相反，其水平變化對試驗結果影響越小。

表3 正交試驗數值計算結果

表4 正交試驗直觀分析 mm

表中，R值反映6種因素對換熱系數的影響程度從大到小的順序為：δ＞h＞d＞n＞x＞y；由于換熱系數越大換熱效果越好，因此對于換熱器的結構參數的最優組合為：x4y3δ5h1d2n1，其具體優化結構參數如下：x＝135 mm，y＝22 mm，δ＝0.6 mm，h＝90 mm，d＝65 mm，n＝2 mm。

為了便于分析換熱系數變化情況，分別作出各因素不同水平對換熱系數的影響趨勢圖。由圖3可見，翅片厚度對換熱系數的影響最大，翅片長度、寬度、間距對換熱系數的影響間距次之，橫向間距和縱向間距的影響最小。

對于翅片管換熱器的x、y，其值變化主要是用來增加流體的擾動，進而減小流體邊界層厚度，以達到增強換熱的目的。從圖3（a）、（b）可知，對于x和y在選取的區域范圍內，對換熱系數的影響是先增大后減小，并不是其值越大，換熱系數就越大，因此，可以得出，x＝135 mm、y＝22 mm時在選取的范圍之內為最佳效果。

h和d主要是用來決定換熱接觸面積的大小，進而影響整體換熱的效果。由圖3（d）、（e）可見，換熱系數隨著翅片長度的增大而減小，隨著翅片寬度的增大先增大后減小。這說明，換熱面積過大不僅不能促進換熱，反而會使換熱系數降低；若繼續減小翅片長度，則會導致開縫過大，致使換熱面積過小而影響換熱。因此，在選取的區域范圍內，h＝90 mm、d＝65 mm時換熱效果更好。

如圖3（c）、（f）所示，從理論上分析可知，換熱系數隨翅片厚度δ的增加而增加，但是其變化趨勢變緩。這說明，換熱系數受δ影響的變化率在縮小，若繼續增大δ，則會使翅片管換熱器的經濟性下降；換熱系數隨翅片間距n的增大呈下降趨勢，且n＝2 mm時的換熱系數明顯高于其他值，這是由于翅片間距過小，致使兩翅片間的邊界層相互干擾，對換熱系數影響最大。若繼續減小翅片間距，不僅會使進出口壓降增大而浪費能源，還會使生產成本提高。因此，經綜合考慮，δ＝0.6 mm、n＝2 mm時換熱狀態符合實際應用。

圖3 各因素對換熱系數的影響趨勢

3 最優參數模擬分析

根據以上的正交試驗直觀分析得出全開縫式翅片換熱器的最優結構參數，對其最優結構參數的翅片換熱器進行數值模擬計算，得出其最優換熱系數如下：x＝135 mm，y＝22 mm，δ＝0.6 mm，h＝90 mm，d＝65 mm，n＝2 mm，H ＝28.73 W／（m2·K）。

為了便于形象地顯示出計算域的整體分布情況，通常使用云圖來表示。本文主要選用速度云圖及溫度云圖對空氣域的中心面處及翅片表面處進行分析。圖4、5分別為中心面處和翅片表面處的溫度云圖。隨著換熱的進行，空氣溫度隨流動方向逐漸降低，前兩排翅片處的空氣溫度梯度變化明顯高于后兩排，最前面的翅片表面處的溫度梯度變化相對較大，在圓管的背面有一不發生換熱或換熱現象較弱的區域，主要是由于空氣的滯留和翅片表面流體邊界層所致；圖6、7為中心面處和翅片表面處的速度云圖，可以看出，在管壁背風面存在滯留區，在此區域，換熱現象不明顯，中心面處的速度梯度變化比翅片表面處均勻，且中心面速度相對較高，翅片表面處的速度大小相對較低，在空氣流通截面較窄處，氣流速度最高可達到5 m／s。