矩形翅片椭圆管和圆管换热器的数值仿真

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矩形翅片椭圆管和圆管换热器的数值仿真

张姣阳, 曹绛敏, 韩筱

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海200090)

摘要:利用CFD计算方法,对矩形翅片椭圆管换热器进行了数值模拟,并与同周长、同横截面和同迎风面矩形翅片圆管换热器进行了比较.分析研究了矩形翅片椭圆管和圆管的换热和阻力特性,以及速度、温度、压力的内部流场分布特性.结果表明,矩形翅片椭圆管的换热性能优于圆管换热器;矩形翅片椭圆管尾部涡流小,出口速度均匀;与圆管相比,椭圆管矩形翅片在工程应用中可以减少阻力损失,增强换热系数.

关键词：矩形翅片; 椭圆管; 圆管; 换热器; 数值模拟

收稿日期：2015-03-13

作者简介：通讯张姣阳(1990-),女,在读硕士,河南开封人.主要研究方向为火电厂节能技术.E-mail:

中图分类号：TK172文献标志码： A

收稿日期：2015-03-17

作者简介：通讯张健(1989-),男,在读硕士,江苏盐城人.主要研究方向为火电厂污染物控制.E-mail:

NumericalSimulationofRectangularFinnedEllipticalTubeandCircularTubeHeatExchanger

ZHANGJiaoyang,CAOJiangmin,HANXiao

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:The fluid flow and heat transfer characteristics of rectangular finned tube heat exchangers are numerically investigated by examining different elliptical and circular tubes.The elliptical tubes are compared with three kinds of circle tubes,equal cross-sectional area tube,equal-perimeter tube and equal windward tube.The results reveal that using the elliptical fin-tube can not only reduce the flow resistance but also improve the heat transfer capacity of the heat exchangers which effectively improve the fin efficiency.Compared with the circular tube,rectangular finned elliptical tube can reduce the resistance loss and enhance the heat transfer coefficient.

Keywords:rectanglefin;ovaltube;circulartube;heatexchanger;numericalsimulation

换热器是各工业部门最常见的热工设备,广泛应用于化工、能源、机械、交通、制冷、空调及航空航天等领域,其通道内流体流动和换热综合性能的改善与提高,直接关系到能源资源的高效利用及环境质量的改善.

圆管式换热器具有换热效果好、制造工艺简单等优点,使其普遍应用于空调、散热器等设备中.然而实践证明,与圆管相比,椭圆管具有气动特性好、绕流阻力低,以及在横截面积相等情况下传热周边长、有利于传热和结构紧凑的特点.[1]尽管人们对横掠椭圆管的换热及流动特性很早就进行过研究,但由于椭圆管制造困难且承压能力较低,在工程上未得到广泛应用.

近年来,也有很多学者对各种换热器进行了理论、实验和数值研究.宋富强等人[2]研究了低速下矩形翅片圆管的换热系数,并用场协同原理分析了低速下流速与换热系数的线性关系;杨立军等人[3]研究了椭圆翅片椭圆管管束外冷却空气的流场和温度场,计算得到了空冷凝汽器冷却空气对流换热平均Nu和摩擦系数f随Re的变化规律,随着Re的增大,Nu增大,f减小; 屠珊等人[4]进行了椭圆翅片管和圆翅片管的实验研究,认为椭圆翅片管比圆翅片管换热系数大,流动阻力小.马建宗等人[5]对矩形偏心波纹翅片的流动与换热规律进行了三维数值模拟,得出矩形偏心平直翅片椭圆管的综合换热性能最佳;适当增加翅片前端迎风侧波纹倾角,减小翅片后部区域波纹倾角,可同时起到增强换热、减少阻力损失的双重作用.上述研究只针对圆管圆翅片、圆管椭圆翅片、圆管螺旋翅片等,而对加工方面和应用广泛的矩形翅片椭圆管和矩形翅片圆管内部的流动及换热特性的比较分析则很少.

本文采用FLUENT软件,对矩形翅片椭圆管、同周长的圆管、同横截面积以及同迎风面的圆管矩形翅片进行仿真,分析矩形翅片椭圆管和圆管的换热和阻力性能,并对内部速度、温度、压力特性进行分析比较,以期为电厂尾部烟气的回收利用提供选择和设计参考.

1模型与数值计算方法

1.1　物理模型和数学模型

1.1.1物理模型

以椭圆管矩形翅片为研究对象,并选取了同周长的圆管、同横截面积以及同迎风面的圆管矩形翅片作比较.实际应用中,翅片截面与圆管、椭圆管长度方向垂直,几何中心重合;流体在翅片间沿椭圆管长轴方向流动.椭圆管和圆管沿管长方向可认为是周期性边界条件,且考虑到管束在椭圆管短轴方向和圆管方向的对称性,[6]因此选取其中的一个单元作为物理模型,如图1所示.

图1　矩形翅片椭圆管和圆管计算单元结构示意

换热器主要结构尺寸见表1和表2,其中椭圆管长轴半径为a,短轴半径为b;圆半径为r;当量直径为de,管壁厚度为σb;矩形翅片长为L,宽为w,翅片厚度为δf,翅片间距为s.

图2　矩形翅片椭圆管流动方向示意

mm

表2　矩形翅片圆管的尺寸　 mm

1.1.2数学模型

传热计算公式和热平衡方程式为:

(1)

Φ=qmcp(Tin-Tout)

(2)

(3)

式中:ΔTm——烟气与翅片表面的对数平均温差;

qm——进口烟气量;

Tin,Tout——进出口烟气温度;

h——表面换热系数;

cp——烟气定压比热容;

A——翅片管外表面换热面积.

1.2　控制方程

在三维直角坐标系中进行计算,控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程.

连续性方程为:

(4)

动量方程为:

(5)

(6)

(7)

能量方程为:

(8)

式中:vx,vy,vz——x,y,z方向的速度,m/s;

ρ——密度,kg/m3;

ν——运动粘度,m2/s;

T——温度,K;

a——热扩散系数,m2/s.

1.3　边界条件

计算模型中的流体为烟气,烟气的热物理性质按文献[8]应用插值法计算,如表3所示.

表3　进口烟气物性参数

其低速下为不可压缩牛顿流体,区域中的流动与换热是稳态的;忽略烟气的物理性质随温度的变化,以及翅片与基管之间的接触热阻和与基管间的辐射换热.[9]在三维坐标中的边界条件如下.

(1) 进口区域边界条件进口为:

T=Tin=const

(9)

进口区域的上下边界面为:

(10)

进口区域的前后边界面为:

(11)

(2) 出口区域边界条件出口为:

(12)

出口区域的上下边界面为:

(13)

出口区域的前后边界面为:

(14)

(3) 翅片区域边界条件翅片表面采用自身导热和表面对流换热的耦合方式处理,材料为碳钢.

(4) 椭圆管壁面温度采用定壁面温边界条件,其他区域设置为对称性边界条件,材料为碳钢.

1.4　数值计算方法

采用FLUENT软件进行计算,计算模型采用标准k-ε模型;各方程的离散化均采用二阶迎风格式;计算方法采用压力与速度的耦合方式.为了保证过程中流动的稳定性及物理模型的可靠性,在各个方向上,计算区域比实际区域分别作相应的延长,[10-12]烟气入口速度为0.5~12m/s,温度为413.15K,管壁温度为383.15K.

2计算结果及分析

2.1　矩形翅片椭圆管和圆管的流动及换热特性

本文分析了椭圆管矩形翅片、与椭圆管周长相等的圆管矩形翅片、与椭圆管截面积相等的圆管矩形翅片、与椭圆管迎风面积(椭圆管短轴长度相等)相等的圆管矩形翅片4种换热器.来流速度v从0.5m/s变化到12m/s,得到速度v与翅片表面(包括管子表面)的平均对流换热系数h的关系如图3所示.

图3　 4种换热器迎面风速与对流换热系数的关系

从图3可以看出,随着进口烟气速度的增加,4种翅片管换热器的对流换热系数也随之增加.在相同的外界工况下,同周长的圆管表面换热系数最大;椭圆管的换热性能小于同周长圆管,大于等截面圆管;等迎风面矩形翅片圆管的对流换热系数最小;当来流速度小于4m/s时,随着速度的增加,对流换热系数的增加率较大,而速度越大,对流换热系数的增加率越小.

图4为来流速度v从0.5m/s变化到12m/s时,4种换热器的迎面风速度与翅片表面(包括管子表面)的平均表面摩擦因子的关系曲线.

图4　4种换热器迎面风速与摩擦因子的关系

从图4可以看出,在流速小于2m/s的情况下,矩形翅片椭圆管和圆管的摩擦因子相差不大.随着迎面风速的增加,4种换热器的表面摩擦因子都变大,斜率也逐渐增大.与椭圆管同周长的矩形翅片圆管换热器在整个速度变化过程中摩擦因子最大,增加也最快;椭圆管的摩擦因子小于同截面的圆管换热器,与椭圆管等迎风面的圆管换热器的摩擦因子最小.图5为来流速度v从0.5m/s变化到12m/s时4种换热器的迎面风速与进出口压差的关系曲线.从图5可以看出,在烟气速度小于2m/s的情况下,3种圆管的进出口压强差几乎一样;但随着流速的增加,在整个风速变化中等周长圆管的压力损失最大,矩形翅片椭圆管换热器的压力损失最小,且随着入口速度的增大,4种换热器的压力损失率都逐渐增加.

从图3、图4、图5可知,从总体上看,矩形翅片椭圆管的总体流动和换热性能较好;在较小的风速下,椭圆管和圆管的摩擦因子和进出口压强差几乎一样;随着迎面风速的增加,椭圆管的摩擦系数小于等周长圆管和等截面圆管的摩擦系数,大于同迎风面圆管的摩擦系数;椭圆管的进出口压差均小于这3种圆管的压差.因此,在风速大于4m/s时,应用矩形翅片椭圆管换热器可有效减少压力损失.

图5　迎面风速与进出口压差的关系

2.2　矩形翅片椭圆管和圆管换热器的内部流动特征

2.2.1翅片换热器的速度流动分析

当来流速度等于8m/s时,由于矩形翅片圆管换热器结构和流场分布的近似性,这里只比较距离翅片表面1mm处、矩形翅片椭圆管和等周长圆管矩形翅片的速度矢量及等势线图,另外两种矩形翅片圆管的分析类似,故对等截面和同迎面风速矩形翅片圆管换热器的分析不再赘述.

图6为矩形翅片椭圆管、同周长矩形翅片圆管的速度分布图.由图6可以看出,椭圆管与圆管迎风侧等势线分布相差不大,在背风侧尾流和涡旋的区域比圆管却小很多;椭圆管尾部和出口处速度大于圆管尾部的速度和出口速度;速度矢量图表明,椭圆管换热器比圆管换热器整体上具有良好的出口速度均匀性.

2.2.2换热器翅片表面的温度分析

当来流速度等于8m/s时,两种管型翅片表面的温度分布云图如图7所示.

从图7可以看出,两种管型的温度分布形状像横放的水滴形,靠近管壁处的温度梯度密度大,远离管壁的温度梯度小;椭圆管矩形翅片的温度等势线变化平缓,圆管矩形翅片表面的温度等势线较陡峭.由此可知矩形翅片椭圆管的换热性能大于矩形翅片圆管,其原因在于管型影响了温度分布,导致换热量的不同.

图6　椭圆管矩形翅片和同周长圆管的速度分布

图7　椭圆管矩形翅片和同周长圆管矩形翅片的表面温度分布

2.2.3换热器翅片表面的压力分析

当来流速度等于8m/s时,两种管型翅片表面的压力分布如图8所示.从图8可以看出,椭圆管矩形翅片表面的压力值分布大于圆管矩形翅片的压力;沿着烟气流动方向椭圆管矩形翅片的压力场分布变化缓慢,而矩形翅片圆管换热器的等势线图变化较陡,可以解释上述椭圆管出口速度的均匀性和烟气流动过程中阻力小的原因.

图8　椭圆管矩形翅片和等周长圆管翅片的表面压力分布

3结论

(1) 就换热系数而言,在较低的流体速度下,矩形翅片椭圆管换热系数与矩形翅片圆管换热系数相差不大.当来流速度为 6m/s时,矩形翅片椭圆管表面传热系数比同截面矩形翅片圆管增加约12%;而当来流速度为8m/s时,增加幅度约15%以上.椭圆管的换热系数小于同周长圆管换热系数,其原因在于同周长圆管的截面积较大,最小截面处的速度最大,换热系数也相应地为最大.在迎面风速相同时,椭圆管的横截面积和周长都较大,故其换热效果明显优于相同迎风面积的矩形翅片圆管换热器.

(2) 就摩擦阻力系数而言,与圆管换热器相比,椭圆管换热器中的流体流动阻力均小于其他3种类型的圆管.当来流速度等于 0.5m/s,椭圆管的气流阻力比等截面积圆管小7%;当来流速度等于8m/s,椭圆管的气流阻力比同截面积圆管流动阻力约小13%;当来流速度等于12m/s,椭圆管的气流阻力比同截面积圆管约小20%.随着烟气流速的增加,矩形翅片椭圆管的阻力系数会更小.

(3) 就进出口压差而言,当来流速度等于0.5m/s时,4种换热器的进出口流体压差相差不大;当来流速度大于2m/s时,矩形翅片椭圆管的进出口压差明显小于其他3种圆管换热器,且随着来流速度的增加,这种情况会更明显.

(4) 椭圆管换热性能优于圆管,在相同换热量的情况下,椭圆管代替空气预热器或省煤器等其他换热器中的圆管可提高换热率,减少阻力损失;在相同的压降下,用椭圆管换热器可以提高流体速度,进而增强表面换热系数,增加换热量.

参考文献：

[1]王英杰,王剑.椭圆热管传热与阻力性能分析[J].中外能源,2008(13):102-104.

[2]宋富强,屈治国,何雅玲,等.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究[J].西安交通大学学报,2002,36(9):55-58.

[3]杨立军,张凯峰,杜小泽.空冷凝汽器椭圆翅片椭圆管束外空气的流动与传热特性[J].动力工程,2008,28(6):911-914.

[4]屠珊,杨冬,黄锦涛,等.椭圆翅片管空冷器流动传热特性的研究[J].热能动力工程,2000,15(5):455-458.

[5]马建宗,阴继翔,吴广剑.矩形偏心翅片椭圆管流动与换热的数值研究[J].热力发电,2014,43(8):89-93.

[6]李启良,赵兰萍.矩形翅片椭圆管热交换器流动与换热特性的数值模拟[J].流体机械,2006,34(8):67-70.

[7]SUNL,ZHANGZL.Evaluationofellipticalfinned-tubeheatexchangerperformanceusingCFDandresponsesurfacemethodology[J].InternationalJournalofThermalSciences,2014(1):45-53.

王剑.椭圆热管传热与阻力性能分析[J].中外能源,2008(13):102-104.

[2]宋富强,屈治国,何雅玲,等.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究[J].西安交通大学学报,2002,36(9):55-58.

[3]杨立军,张凯峰,杜小泽.空冷凝汽器椭圆翅片椭圆管束外空气的流动与传热特性[J].动力工程,2008,28(6):911-914.

[4]屠珊,杨冬,黄锦涛,等.椭圆翅片管空冷器流动传热特性的研究[J].热能动力工程,2000,15(5):455-458.

[5]马建宗,阴继翔,吴广剑.矩形偏心翅片椭圆管流动与换热的数值研究[J].热力发电,2014,43(8):89-93.

[6]李启良,赵兰萍.矩形翅片椭圆管热交换器流动与换热特性的数值模拟[J].流体机械,2006,34(8):67-70.

[7]SUNL,ZHANGZL.Evaluationofellipticalfinned-tubeheatexchangerperformanceusingCFDandresponsesurfacemethodology[J].InternationalJournalofThermalSciences,2014(1):45-53.

[8]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:375-388.

[9]HANH,HEYL,LIYS,et al.Anumericalstudyoncompactenhancedfin-and-tubeheatexchangerswithovalandcirculartubeconfigurations[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2013,65(3):686-695.

[10]DUANXPM，WANGQY.Experimentalstudyoftheeffectofairinletangleontheair-sideperformanceforcross-flowfinnedoval-tubeheatexchangers[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2014,52(2):146-155.

[11]MUH,BHUTTAM,HAYATN.CFDapplicationsinvariousheatexchangersdesign:areview[J].AppliedThermalEngineering,2012,32(1):1-12.

[12]孔晓呜,李炅,周到.小管径椭圆管开缝翅片换热器的数值模拟[J].制冷与空调,2014,14(4):27-32.陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:375-388.

[9]HANH,HEYL,LIYS,et al.Anumericalstudyoncompactenhancedfin-and-tubeheatexchangerswithovalandcirculartubeconfigurations[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2013,65(3):686-695.

[10]DUANXPM，WANGQY.Experimentalstudyoftheeffectofairinletangleontheair-sideperformanceforcross-flowfinnedoval-tubeheatexchangers[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2014,52(2):146-155.

[11]MUH,BHUTTAM,HAYATN.CFDapplicationsinvariousheatexchangersdesign:areview[J].AppliedThermalEngineering,2012,32(1):1-12.

[12]孔晓呜,李炅,周到.小管径椭圆管开缝翅片换热器的数值模拟[J].制冷与空调,2014,14(4):27-32.

(编辑胡小萍)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.006

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.005

jinhanlin6330@126.com.