顺排H型翅片圆管的传热与流动分析

许靖盛 王中贤

摘要：通过模拟计算并比较数据得出结果：随着迎面风速增大，Re 数增大，Nu 数增大，摩擦系数f 减小，传热热阻R 也减小;随着翅片间距增大，Nu 数减小，摩擦系数f 减小，对传热热阻R 的影响较小;随着翅片厚度增大，Nu 数增大，摩擦系数f 明显减小，传热热阻R 也显著减小;随着翅片高度增加，Nu 数增加，摩擦系数f 也增加，而传热热阻R减小，在本文中研究的影响因素中优先考虑的因素为：翅片间距、翅片厚度及翅片高度。

关键词：H型翅片;圆管; 数值模拟;传热特性;流动特性

引言

随着经济的发展，工业生产的规模及能源的消耗日趋增加，翅片管换热器作一种重要的强化传热设备，其性能的提高能达到节约能源降低生产成本的目的，受到了广泛的关注和研究。数值模拟的方法目前对单相流动和传热过程相对比较成熟，其计算精度可以满足工程要求，通过模拟的方法得到具有工程意义的参数。本课题利用数值模拟的方法研究翅片间距、翅片厚度、翅片高度、Re、介质等参数对翅片管传热和流动性能的影响，获得相关计算公式，为翅片管应用提供理论基础。数值模拟的方法目前对单相流动和传热过程相对比较成熟，其计算精度可以满足工程要求，通过模拟的方法得到具有工程意义的参数。换热器是量大面广的通用设备，换热过程则是换热器的核心控制过程翅片管式换热器是空调，制冷，化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式，对它的研究不仅有利于提高其换热效率和整体性能，而且对改进翅片管式换热器的设计形式有着重要的指导意义。

1.H型翅片管的概述

翅片管束作为换热元件，由于其制造工艺简单，能增大管外换热面积，强化传热，同 时因单位体积内换热面积增大而使换热器结构紧凑，能降低流动阻力，减轻受热面磨损，因而在常规锅炉设计与改造、利用中低温余热的余热锅炉以及其他换热设备中得到了广泛的应用。H型翅片是在矩形翅片的基础上发展而来的[1]。由于其翅片表面特殊的沟槽结构，去除了部分在翅片表面进口和尾部分离区中的换热面积，降低了进口和尾部分离区传热恶化对整个翅片传热的影响，从而提高了翅片的平均对流换热系数翅片效率，达到强化传热的目的，并避免了螺旋翅片管束常见的因结构设计不合理导致的翅片烧毁问题[2-3]。

1.1 H型翅片管的类型和尺寸特点（图1）[4-5]

（1）管径。管径的范围一般为32 mm～54 mm;

（2）翅片高度。一般与管径成比例，其比值大约在2 mm 上下;

（3）翅片宽度。是指两侧翅片外缘之间的距离，一般与管径成比例，其比值大约在2mm上下;

（4） 翅片厚度。一般为2.5～3 mm ;

（5） 翅片与管子的焊接融合角。翅片由烟气吸收的热量是经融合部分传递给管子，一般为120 °;

（6） 翅片间的开缝。2片翅片之间的间隙，一般为10 mm ;

（7） 翅片的节距。一般为25 mm。

图1  H型翅片管的尺寸

H型翅片管的典型型式有2种：单H型翅片管（图2）和双H型翅片管（图3）[6-7]。

图2 单H型翅片管                       图3 双H型翅片管

1.2 H型翅片管的工作原理及优势

1.2.1 H型翅片管的工作原理

H型翅片管可以看作为由2个不同结构组合成的传热元件。在翅片之间的管子仍旧裸露在烟气中，受到烟气的冲刷，从而实现有烟气到管子的传热。这与一般光管管束的情况差不多。翅片的存在可能会影响烟气的流动状态，但是由于管束采取顺列布置，也许流场差别不大，传热规律相似[8-9]。在H型翅片管中，光管所形成的热面大约只有总热面的五分之一左右 ，在整个传热过程中不占主导地位[10]。

H型翅片管管束排列紧凑整齐，再加上制造精度的保证，翅片间形成整齐的平行流道。与一般的平行平板流道的对流传热不同的是，期间有管子的存在，相当于一个扰流物。由此可见，在H型翅片管中有2个不同的传热过程。前者是烟气一光管的直接传热，但是不是主要部分[11]。主要的部分是烟气与翅片之间实现对流换热，然后热流沿着翅片依靠热传导的方式流向管子。与其他管束传热不同的是，必须了解翅片的导热在整个传热环节中的作用和规律，不然就无法揭示H型翅片管的传热规律[12-13]。

1.2.2 H型翅片管的优点[14-15]

1）翅化系数高，可使受热面布置更加紧凑;

2）翅片温度场比较均匀，有更好的传热效果;

3）翅片与气流方向平行，与螺旋翅片相比，能够很好地防止积灰、减少流动阻力;

4）与光管比，其受热面磨损小，可采用较高的烟气流速，以增强传热效果。由于H型翅片管所具有的以上优点，使其得以迅速的广泛应用。

针对H型翅片管作为强化传热元件所具有的优点，国内外有关科研人员对其传热特性和阻力特性进行了研究， 但是所得出的结果差异较大，且对其进行结构优化的文章也鲜见报道。因此，在国家大力提倡节能减排的形势下，对H型翅片管的结构进行系统优化十分必要和迫切[16]。

1.3 H型翅片圆管的应用

1.3.1 H型翅片管省煤器在热电站煤粉锅炉上的应用

H型翅片管省煤器由英国公司在20世纪50年代开发，其目的是寻找可以可靠地工作于肮脏、具有腐蚀性氛围和引起磨损物料环境中的传热元件。H型翅片管省煤器首先被欧洲的锅炉制造商使用，20世纪90年代初期，随着外国公司的锅炉进入中国，出现在一批350MW和600MW的燃煤机组锅炉上[21-22]。从热电站煤粉锅炉上采用H型翅片管省煤器的实际应用情况来看，H型翅片管省煤器相对于光管省煤器在布置方式、经济性等方面有较大优势[23]。

（1）H型翅片管省煤器代替光管省煤器，可以增加换热面积，增大烟气流通截面，降低烟速，减少磨损。

（2）H型翅片管省煤器的空间紧凑，可以降低造价，管组大为紧凑，大大节约了尾部烟井高度。总体重量大为减轻，降低悬吊系统载荷。

（3）H型翅片管还可制造成双管的“双H”型翅片管，其结构的刚性好，可以应用于管排较长的场合[24-25]。

1.3.2  H型翅片管在高含尘烟气中换热特性的研究应用

目前，在水泥余热电站中SP炉大多采用传统的光管换热，还没有将H型翅片管应用于SP炉的研究。在含灰量大的低温烟气的余热回收中，遇到的最大问题就是积灰和磨损。按照SP炉的运行参数，在相同换热量、相同的进出口烟温和水温以及相同烟气截面流速的情况下，对光管和H型翅片管的换热进行对比，H型翅片管受热面的换热性能优于光管受热面，其传热性能较光管要高[26-27]。

而在相同烟气流速和相同换热量的情况下，H型翅片管与光管的受热面阻力对比结果，高含尘烟气中，在相同截面流速下，H型翅片管的流动阻力远远大于光管的流动阻力[28-29]。

2.空冷器模型的建立

2.1 模型建立

物理模型

1. 翅片;2.基管;3.空气进口;4.出口;5.进水口;6.出水口

图2-1 物理模型图

几何模型

本课题通过数值模拟来分析影响翅片管换热器传热性能的因素及其具体影响机制，构建几何模型如图2-1所示。模型包括基管、翅片，开口，其基本的模型尺寸、定位尺寸如表2-4，变量参数设定如表2-5，模型设置如表2-6。本课题正是通过改变上表2-5 中参数值，进行多次数值模拟，从而分析影响翅片管式换热器流动和传热特性的影响因素。

主视图

左视图

俯视图

图2-2 几何模型图

表2-1 几何模拟尺寸（单位：mm）

计算空间尺寸

X向

200

Y向

150

Z向

100

翅片管基本尺寸

翅片厚度δ

1

基管外径d1

25

翅片间距S

7

基管内径d2

20

翅片高度d      50

定位尺寸

X向边界空隙

0

Y向边界空隙

100

Z向边界空隙

100

翅片管中心距

50

表2-2 变量的不同取值点

序号

1

2

3

4

5

迎面风速v（m/s）

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

翅片间距S（mm）

4

5

6

7

8

翅片厚度δ（mm）

0.6

0.8

1

1.4

1.4

翅片高度d（mm）

44

46

58

50

52

表2-3 模型设置

元件

模型

类型

材料

导热系数

密度

翅片

Block

Solid

Aluminum6063-T5

209W/（m·K）

2.7kg/cm3

基管外层

Block

Solid

Steel Carbom

48W/（m·K）

8.96kg/cm3

基管内层

Block

Fluid

Water

0.6W/（m·K）

1kg/cm3

开孔

Opening

-

-

-

-

表2-4 模拟计算已知条件

空气

进口温度

34

密度

1.1774

比热容

1005

导热系数

0.026

进口风压

1.01

出口风压

1.01

水

进口水温

65

密度

1000

比热容

4174

导热系数

0.6

水流速

0.3

碳钢

密度

7800

导热系数

48

比热容

470

2.2典型翅片管换热器—空冷器设计

已知条件：水流量55 ，水进口温度65 ，水出口温度63.9 ;空气设计温度34 ，翅片材料铝。试设计一台定型的空冷器。

2.2.1总体考虑

因为接近温差为63.9-34=29.9，故选用空冷器是经济的。

2.2.2估算和选型

（1）选取传热系数=490。

（2）选取管排数  计算，由文献31中图3.59得最佳管排数为3，根据管束规格，考虑水的换热系数不是很高，故选用低翅片4排管。

（3）选取迎面风速

由文献查的=2.8，面积比（=5.80）

（4）试算空冷器出口空气温升及传热面积

假设几个可能的出口温升（或温度），按热平衡式求得，（由迎风面积而求得的基管外表面积），再根据传热计算求得，比较和，至两者接近时为止。具体计算如下。

计算公式：

（1）

则热负荷计算为：

= 167064

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

列表3-5 计算如下：

表2-5 空气温升试算表

温升（）

17.1

17.2

17.3

17.4

17.5

17.6

2.949

2.932

2.915

2.905

2.881

2.865

17.103

17.003

16.905

16.851

16.712

16.617

20.576

20.507

20.438

20.369

20.299

20.230

16.621

16.667

16.731

16.828

16.875

16.923

2.817%

1.978%

1.032%

0.131%

-0.977%

-1.842%

由估算可见，当空气温升为17.4时，和接近，故取空冷器出口风温为= 34+17.4=51.4。

（5）选型

现已知流量为55，管排数为4，由文献31图3.62查得水在流速为1.2左右时，可采用P31-4（I）的管束。这一管束的基管表面积为16.956，与和很接近。

实际迎风面积= 31-310.1=2.7，与计算值（上表中）接近，故迎面风速及出口风温均可不必调整。

（6）选风机

风量==360032.8=30240。

风压管束压降由文献31式3.110 计算

==110，其中是最佳管排数，是翅片影响系数，低翅片

2.2.3精确计算

对 P31-4（I），管子总根数是72根，体积流量= 50，则管程数如下计算：，则==1.95

现已选为2管程，每层36根，则水流在管内的实际流速：

=1.23

当热水温度为65时，其对流换热系数为1469，当水流速为 1.23时，管内对流换热热阻为：

= 0.00083

由附录 C 得冷却水的污垢热阻为0.0002125

管壁热阻为：0.000058非常小，可以忽略。

在= 2.8时，由文献31 式 3.98 可得：

==1093.48

传热系数，可由下式计算得：

==510.98

对数平均温差：

63.9-34=29.9，65-51.4=13.6

=20.56

计算= 0.829，=0.632.

由 P、R 值查附录I 得0.934，则传热平均温差=19.20

基管传热面积= 17.03，的这一精确计算值与估算值一致，故不必重算，所选P31-4（I）管束构成的空冷器即满足要求。=1.15。

取风机动压头=30，故= 140

故选取T35-11轴流式风机三台，配用电机型号YT901-4。

2.2.4软件模拟结果与理论计算结果对比

文中对翅片间距7mm、翅片厚度1mm、翅片高度50 mm的基本模型探讨其在不同风速 1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、4.0 m/s 下软件模拟与理论计算的传热系数的一致性。其中，传热系数的理论计算步骤与3.3节中空冷器设计一致。对比结果如图3-3从图中可以看出理论计算和软件模拟的传热趋势变化趋势一致，虽然2条曲线并不重合，但是软件模拟的结果比理论计算结果高出约18.6%-34.5%。这是因为在软件模拟的过程中没有考虑流体的污垢热阻。经计算，流体污垢热阻与的数量级只相差一级，对于总体传热系数的影响较大，因而软件模拟的结果比理论计算结果高。不过，考虑到因污垢热阻而造成的传热系数误差在允许的范围内，所以在之后论文中，模拟结果皆认为有效。

图2-3不同Re下理论计算与软件模拟的传热系数对比

3.结果与展望

3.1结论

本文对叉排H型翅片圆管的传热性能及其流动特性进行数值模拟分析，探究了翅片间距、翅片厚度、翅片高度等因素对翅片管三个特性参数Nu数、范宁摩擦系数f 、传热热阻R的影响。通过模拟软件Icepak 模拟云图及数据后处理折线图的分析，可以得出以下结论：

3.1.1随迎面风速增加，Re 数增加，Nu 数增加，摩擦系数f 减小，传热热阻R 也减小;

3.1.2在保持总计算管长不变时，翅片间距在4-8mm 逐渐增加时，Nu 数减小，摩擦系数f 减小，而对传热热阻R的影响较小;

3.1.3在保持总计算管长不变时，翅片厚度在0.6-1.4mm 逐渐增加时，Nu 数增加，摩擦系数f 明显减小，传热热阻R也显著减小;

3.1.4在保持总计算管长不变时，翅片高度在44-52mm 逐渐增加时，Nu 数增加，摩擦系数f 也增加，而传热热阻R减小;

3.2展望

本文研究了翅片间距、翅片厚度、翅片高度对翅片管换热器流动和传热特性的影响变化，对于翅片管换热器的设计具有一定的指导意义。但是由于时间的有限，课题对于计算机的较高要求，文中对于每一个影响因素的数值模拟次数有限，因而并不能得出精准的变量关联式。而且影响翅片管换热器的因素还有基管直径、内螺纹、管束排列方式、开孔形状、大小等很多方面，也就是说本文研究的内容相对较少，建议在后续研究中可以进一步优化：

3.2.1充分利用研究室工作站，提高每次模拟过程中迭代计算次数，从而提高准确度;

3.2.2对同一个影响因素，多次重复试验，以找到更为广泛的影响变化趋势;

3.2.3将圆翅片管与椭圆、扁平翅片管等多种形式的翅片管式换热器进行比较，以得到能适用于具体生产状况并满足经济效应的翅片管形式。

3.2.4研究基管直径、管束排列方式、方孔形状、大小等因素对圆翅片管换热器性能的影响，从而形成关于圆翅片管完整的设计理论。

参考文献：

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3.2展望

本文研究了翅片间距、翅片厚度、翅片高度对翅片管换热器流动和传热特性的影响变化，对于翅片管换热器的设计具有一定的指导意义。但是由于时间的有限，课题对于计算机的较高要求，文中对于每一个影响因素的数值模拟次数有限，因而并不能得出精准的变量关联式。而且影响翅片管换热器的因素还有基管直径、内螺纹、管束排列方式、开孔形状、大小等很多方面，也就是说本文研究的内容相对较少，建议在后续研究中可以进一步优化：

3.2.1充分利用研究室工作站，提高每次模拟过程中迭代计算次数，从而提高准确度;

3.2.2对同一个影响因素，多次重复试验，以找到更为广泛的影响变化趋势;

3.2.3将圆翅片管与椭圆、扁平翅片管等多种形式的翅片管式换热器进行比较，以得到能适用于具体生产状况并满足经济效应的翅片管形式。

3.2.4研究基管直径、管束排列方式、方孔形状、大小等因素对圆翅片管换热器性能的影响，从而形成关于圆翅片管完整的设计理论。

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