平直翅片管换热器的换热性能和压降特性研究

邬志伟 向立平,2 林 峰

(1.湖南工业大学土木工程学院，湖南 株洲 412007； 2.湖南科技大学煤矿完全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201)

提高换热器换热效率的关键是降低换热器空气侧热阻，为了强化空气侧传热，许多学者对翅片位置、基管类型、翅片间距等进行了大量的研究[1]。J.Wanga等对翅片形状为矩形的换热器换热能力进行实验分析，研究发现换热器的换热能力与压降有关[2]。Aytune Erek等利用Fluent软件对不同翅片形状的翅片管换热器的传热和阻力特性研究，换热器的换热性能随换热器长短轴比增大而增加，换热器阻力特性随长短轴比增大而减小[3]。何海江等对翅片管换热器换热特性进行模拟，发现换热器空气侧换热系数和压降特性随空气速度的变化规律[4]。基于以上研究，在冬季工况下，对闭式能源塔的平直翅片换热器进行研究，分析不同送风温度、送风速度和翅片间距对换热器换热特性的影响。

1 数值模拟

1.1 物理模型

基管为错排布置，管排数为3排，每排基管数为4。基管为铜管，基管内流体是质量浓度10%的CaCl2溶液，管道外流体为空气。翅片材料为铝，闭式能源塔平直翅片管换热器的尺寸和参数见表1。

表1 翅片管换热器的几何参数 mm

1.2 数学模型

为了计算方便，对平直翅片管换热器的物理模型作出如下假设[5-7]:

1)忽略翅片辐射传热和翅片管的污垢热阻的影响；

2)换热器基管与翅片的导热系数为常数，忽略基管轴向导热对传热的影响以及基管之间的热影响；

3)翅片的导热是均匀的，不考虑翅片厚度方向的温度变化；

4)换热器流场内空气为不可压缩的理想气体。

数学模型的各微分方程如下[7,8]：

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

1)质量守恒方程。

div(ρU)=0

(1)

2)动量守恒方程。

u-动量方程：

(2)

v-动量方程：

(3)

z-动量方程：

(4)

其中，p为流体的微元上的压力；fx,fy和fz均为微元体上的体积力；μeff为流体的有效粘度。

3)能量守恒方程。

(5)

1.3 湍流模型的选择

选用标准的k-ε两方程模型，主要优点：形式简单、计算精度高、实用性强[8,9]。在翅片表面近壁面区域，流场空气速度变化梯度大，分子粘性影响比较大[9]。因此，在翅片表面近壁面区，选择壁面函数法，可对标准k-ε两方程模型进行有效的补充[7,11]。基于以上情况，采用壁面函数法和标准k-ε两方程模型相结合的方法对物理模型进行数值模拟。

1.4 边界条件

1)边界条件。

换热器翅片进口和基管进口的边界条件为速度入口，k值为0.052 6 m2/s2，ε值为0.005 67 m2/s2；换热器翅片空气出口为压力出口。

2)各种算例的参数设置见表2[5,9]。

表2 各种算例的参数设置

2 闭式能源塔的实验测试

2.1 实验系统

如图1所示，能源塔的结构尺寸：2 230 mm×1 206 mm×2 596 mm，对换热器进行实验测量的仪器及精度见表3[11]。

表3 测试仪器及精度

仪器名称型号测量范围精度温湿度仪Testo 175H1-20 ℃～55 ℃±0.4 ℃红外测温仪Testo 810-30 ℃～300 ℃±0.1 ℃手持式风速仪TSI83470 m/s～30 m/s±0.01 m/s压差传感器C2680 Pa～1 000 Pa±0.4% FS

2.2 测量数据

在进口风速为4.5 m/s，溶液流量为3.5 m3/h工况条件下测试的数据见表4。

表4 实验测量的数据

3 分析与讨论

3.1 换热性能随进风速度的影响

在Case1工况下，风速对换热器换热影响的变化曲线见图2，图3。

进风速度增大，压降、Nu和换热系数随进口风速增大而增大，换热器随进风速度增大的幅度较小。当翅片进口空气风速大于4.5 m/s时，换热系数和Nu随着进口空气速度的增加的趋势变缓。

换热器平直翅片表面对空气的阻力随进口空气速度增加而减小，风速增加到4.5 m/s时，换热器翅片的阻力系数减小的速度变慢。模拟结果和实验结果的摩擦因子在7%以内，说明软件模拟的结果比较好。

3.2 换热性能随翅片间距的影响

在Case2工况下，翅片间距对换热器换热影响的变化曲线见图4，图5。

换热系数、压降和Nu随翅片间距增加而减小，换热系数减小的幅度较大。翅片间距的增加，使得换热系数和Nu降低，翅片间距增大，翅片数减少，空气侧流通摩擦面积降低，空气流过基管的扰动减弱，进而降低换热系数和Nu,使换热性能降低。

在翅片间距较小时，换热器平直翅片摩擦因子较大，随着间距增大，摩擦因子降低。模拟结果和实验结果的摩擦因子相差不到5%，用CFD对换热器物理模型模拟的可靠性较高。

3.3 换热性能随进风温度的影响

在Case3工况下，进风温度对换热器换热影响的变化曲线见图6，图7。

换热器换热系数和Nu随着进口空气温度增加而先增后减，适当提高进风温度，有利于提高换热系数和Nu。换热器翅片进风温度越高，翅片管换热器换热能力越强。压降随进风温度增大而增大，闭式能源塔系统浪费的机械能增加。

进口空气温度升高，换热器翅片表面的摩擦因子随之增大。模拟结果和实验结果的摩擦因子相差在5%以内，模拟计算准确性比较高。

4 结语

1)平直翅片管的换热能力随进口空气速度的增大而先增后减。进口空气速度越大，压降也就越大，系统损失的能量也越多。进口风速越大，摩擦因子反而越小。2)随着翅片间距的增大，闭式能源塔系统的换热器换热性能降低。当翅片间距很小时，翅片的摩擦因子比较大，当翅片的摩擦因子越小，翅片的阻力特性降低。所以选择合适的间距，使得闭式能源塔平直翅片管换热器的换热能力大幅度提升。3)进风温度越高，换热性能先增后减，压降一直在增加，摩擦因子也一直增加，系统损失的机械能也加大。实验值与模型预测值吻合比较好，模拟计算可靠性比较高。