低翅片管換熱過(guò)程的數(shù)值模擬及其結(jié)果分析

鐘建華， 唐治立， 林師朋， 劉艷霞， 袁志燕

（江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引 言

換熱設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源、冶金、建筑等各個(gè)領(lǐng)域.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化工企業(yè)中40%～60%的設(shè)備屬于換熱設(shè)備.隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和能源問(wèn)題的日益突出，制造體積小、耗能低、流動(dòng)阻力小、高效緊湊的換熱器將具有重要意義.而強(qiáng)化傳熱是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的根本途徑[1].

翅片管作為強(qiáng)化傳熱的有效元件在換熱器中的使用越來(lái)越廣泛，特別是在兩側(cè)換熱系數(shù)相差較大（例如一側(cè)為液體，一側(cè)為氣體），其強(qiáng)化傳熱效果更突出.翅片管的散熱性能一方面依賴于其翅片高度、翅片厚度和翅片間距[2]；另一方面依賴于翅片管周圍流體的流動(dòng)狀態(tài).利用有限元分析軟件ANSYS中的流體傳熱分析模塊（FLOTRAN CFD）對(duì)翅片管換熱過(guò)程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，研究其熱交換過(guò)程和傳熱效果，通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)其加工.

1 實(shí)驗(yàn)研究方法

目前，翅片管多用于空調(diào)的冷凝器、蒸發(fā)器的換熱元件，本文以常用于冷凝器中的低翅片管為研究對(duì)象，根據(jù)其實(shí)際的傳熱方式，選定氣-氣的兩組分對(duì)流傳熱模型，即模擬翅片管的實(shí)際工況，管內(nèi)為高溫R22制冷劑氣體，管外為冷空氣，以逆向?qū)α鞯姆绞竭M(jìn)行對(duì)流換熱.

選取對(duì)翅片管換熱影響較大的3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為研究的出發(fā)點(diǎn)，分別為翅片間距（P），翅片厚度（T）及翅片高度（H），每個(gè)因素取3種水平，忽略交互作用，采用正交表L9（34）來(lái)安排實(shí)驗(yàn)[3]；翅片管其他主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)徑取φ16 mm，底壁厚（基管厚度）為0.8 mm.由于翅片管具有軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，故此處選用沿管軸向橫截面的上半部分作為研究對(duì)象，如圖1所示 （圖1中箭頭表示為流動(dòng)方向）.

圖1 幾何模型

圖1中A1為管內(nèi)流通的R22制冷劑氣體，A2為翅片管，A3為管外流通的冷空氣，在ANSYS中建立上述模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析；通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析，得出各結(jié)構(gòu)因素對(duì)翅片管換熱、壓降等性能影響的主次關(guān)系，進(jìn)而確立其綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而完成對(duì)低翅翅片管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[4].

2 邊界條件及載荷施加

管外空氣外邊界L1確定為無(wú)滑移條件，即此處Vx=0、Vy=0，管軸線L2為對(duì)稱線，故此處Vy=0，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，假定換熱過(guò)程中的流體的物性參數(shù)為常值，具體的載荷及物性參數(shù)如表1、表2所示[5].

載荷 入口溫度/K 入口速度/（m·s-1） 出口壓力/Pa 314 3 0 4 3 0流體物性參數(shù)密度/（kg·m-3）黏度/（×10-5Pa·S）68.172 0.01 2.41 1.350 6導(dǎo)熱系數(shù)/[W·（m·K）-1]比熱容/[kJ·（kg·K）-1]

表2 管外流體（冷空氣）載荷及其物性參數(shù)

3 數(shù)值模擬過(guò)程

3.1 流動(dòng)狀態(tài)模擬

在ANSYS中對(duì)翅片管的傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，先是模擬其流動(dòng)狀態(tài)，求解出流動(dòng)方程，進(jìn)而可以得到動(dòng)能、速度、壓力等因素的分布場(chǎng)，在流體分析的基礎(chǔ)上，加載熱載荷，進(jìn)行溫度分析，從而得出溫度分布情況[6].對(duì)翅片管管內(nèi)外流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，由其雷諾系數(shù)（管內(nèi)：Re=2.423×105；管外：Re= 7 042）可判斷管內(nèi)外流體均為湍流流動(dòng)，由其馬赫數(shù)可知流體為不可壓縮流體[7-8]，故求解翅片管管內(nèi)外流體流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將流體設(shè)置為不可壓縮紊流狀態(tài)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解.

求解流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需對(duì)計(jì)算過(guò)程的收斂性及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖2所示，為求解計(jì)算的收斂監(jiān)測(cè)曲線，由此可知，整個(gè)求解過(guò)程是收斂的，求解結(jié)果可靠[9].

圖2 收斂監(jiān)測(cè)曲線

3.2 流動(dòng)模擬結(jié)果

圖3及圖4分別示出了光管與某型號(hào)翅片管換熱過(guò)程中管內(nèi)外流體的壓力分布，從圖3可以看出光管管內(nèi)外流體的壓力分布比較有規(guī)律，流體在流動(dòng)過(guò)程中，壓力逐漸減?。辉诒３诌M(jìn)口速度不變的情況下，光管的壓降比翅片管的壓降要小很多，即翅片管上的翅片在增加散熱面積的同時(shí)也增大了流體的流動(dòng)阻力，從而使位于管外有翅片一側(cè)的流體的壓力成倍增大.由圖4可看 出，翅片管管外入口端流體壓力變化劇烈，特別是在靠近第一片翅片的地方，流體壓力變化異常明顯，總體趨勢(shì)是由管壁向邊界從大到小線性變化，靠近邊界處壓力趨于穩(wěn)定.

圖3 光管壓力分布圖

圖4 翅片管壓力分布圖

翅片管管內(nèi)外流體的速度分布情況類似于其壓力分布情況，管內(nèi)流體流動(dòng)較規(guī)律，處于層流狀態(tài)，靠近管壁的地方，流速小，由管壁向管軸方向速度不斷變大，管軸處的速度近似等于流體入口速度.由圖5可知管外流體的流速分布較復(fù)雜，入口處第一翅片周圍的流體流速變化劇烈，是典型的紊流狀態(tài)，翅片間流體流動(dòng)緩慢，流速小，但已出現(xiàn)明顯的回旋運(yùn)動(dòng)，即所謂的有渦流動(dòng)[10]，正是因?yàn)檫@種有渦流動(dòng)的存在，增強(qiáng)了翅片管的對(duì)流換熱效率，并且使得翅片管外側(cè)不易結(jié)垢，起到一定的自除垢作用.在由翅片往邊界的徑向上，流速有以下變化特點(diǎn)：小→大→小.隨著流動(dòng)的發(fā)展，沿管軸方向，翅片周圍的流體流速逐漸減小.

圖5 翅片管管外入口端流體矢量速度分布

3.3 溫度模擬結(jié)果

圖6所示為管內(nèi)出口端管內(nèi)外流體的溫度分布情況，由圖6可知，管外流體由于剛流入，溫度還很低，溫度基本上為初始溫度，翅片管的溫度也近乎等于管外流體的溫度.圖7為管內(nèi)出口端流體沿管徑方向的溫度變化曲線，橫坐標(biāo)表示在管徑方向上，距離管壁的距離長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的溫度.由圖6及圖7可以看出管內(nèi)流體的溫度分布呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：在徑向方向上，靠近管壁處流體溫度變化劇烈，越靠近管軸，溫度變化越緩慢，在軸向方向上，隨著流動(dòng)的發(fā)展，流體的低溫區(qū)域越來(lái)越大，平均溫度逐漸降低.

圖6 翅片管管內(nèi)出口端溫度分布示意圖

圖7 管內(nèi)出口端流體沿管徑方向上溫度變化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 正交模擬實(shí)驗(yàn)的直觀分析

利用上述方法，可以分別得到各組實(shí)驗(yàn)的管內(nèi)流體出口平均溫度及管外壓降、速度等指標(biāo)的數(shù)據(jù)[11]，表3示出了實(shí)驗(yàn)方案及溫降的結(jié)果分析，表3中，因素A為翅片間距，取3種水平：1 mm、1.5 mm、2 mm，因素B為翅片厚度，分別取0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm 3種水平，因素C為翅片高度，分別取0.8 mm、1.4 mm、2.0 mm 3種水平.

表3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

分析表3可以得出如下結(jié)論：對(duì)翅片管換熱效能影響最大的因素是A（翅片間距），次之是C（翅高），影響最小的是B（翅厚）.利用表3同樣能得到各因素與流體壓力、速度間的關(guān)系，據(jù)此可以將因素水平作為橫坐標(biāo)，以它的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值ki為縱坐標(biāo)，得到因素與指標(biāo)的關(guān)系圖——趨勢(shì)圖[3]，如圖8～圖10所示.

圖8 管內(nèi)出口溫降隨各因素變化趨勢(shì)圖

圖9 管外壓降隨各因素變化趨勢(shì)圖

圖10 管外流體出口速度隨各因素變化趨勢(shì)圖

從圖8可以看出，翅片管管內(nèi)流體的溫降受翅片間距的影響最大，翅片間距在1～2 mm范圍內(nèi)，溫降隨翅距的增加而增大，翅距超過(guò)2 mm時(shí)，溫降隨翅距的增大而減小，（此實(shí)驗(yàn)中溫降的大小代表翅片管換熱效能的高低）；流體溫降隨翅片厚度的增大而減小，隨翅片高度的增大而增大.由圖9可知，管外流體的壓降受翅片高度的影響最明顯，壓降隨翅高的增加而成倍數(shù)變大（此實(shí)驗(yàn)壓降大小代表翅片管工作噪音大小）[12]，翅片間距對(duì)壓降的影響有以下特點(diǎn)：翅距在1～2 mm范圍內(nèi)，壓降隨之增大而增大，在2～2.5 mm壓降隨翅距的增大而減??；壓降基本不受翅片厚度的影響.管外流體出口流速受各因素的影響如圖10所示.翅片高度對(duì)出口流速的影響最明顯，與壓降類似，流速隨翅高的增大而迅速增大；翅片間距在1～2.5 mm范圍增大時(shí)，流速先是隨之減小，然后增大；翅片厚度同樣對(duì)流速也影響很小.

4.2 模擬結(jié)果分析

由文獻(xiàn)[13]可知：翅片間距增大，翅片管的換熱面積減小，使平均傳熱系數(shù)減小，即翅片管的換熱效能隨翅距的增大而減弱，這與本文的結(jié)論（即翅距在1～2 mm范圍時(shí)，翅片管的換熱效能隨翅距的增大而加強(qiáng)）相矛盾，查閱相關(guān)資料獲知，翅片周圍的流體存在邊界層，當(dāng)翅片間距小于或等于兩倍邊界層厚度時(shí)，相鄰翅片間的流體近似處于靜止?fàn)顟B(tài)，傳熱形式由對(duì)流傳熱變成了流體的導(dǎo)熱，那么就大大降低了傳熱效果[14-15].當(dāng)翅距在1～2 mm變化時(shí)，翅距越大，翅片間流體流動(dòng)趨于活躍，傳熱方式由導(dǎo)熱變成了對(duì)流傳熱，傳熱系數(shù)增大，當(dāng)翅距超過(guò)2 mm時(shí)，管外傳熱方式固定為對(duì)流傳熱，換熱面積成為影響換熱效能的主要因素，翅距變大，單位長(zhǎng)度翅片管的翅片換熱面積變小，換熱效能降低[16].

4.3 換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，本文還采取相應(yīng)的熱交換器性能實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖11.

圖11 冷凝器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.循環(huán)氣泵；2.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；3.過(guò)冷器；4.冷凝器；5.實(shí)驗(yàn)臺(tái)支架；6.吸入段；7.整流柵；8.冷凝前R22溫度；9.冷凝器前靜壓；10.U形差壓計(jì)；11.冷凝器后靜壓；12.冷凝后R22溫度；13.流量測(cè)試段劃內(nèi)；14.笛形管；15.笛形管校正安裝孔；16.風(fēng)量調(diào)節(jié)手輪；17.引風(fēng)機(jī)；18.風(fēng)機(jī)支架；19.傾斜管壓力計(jì)；20.控制測(cè)試儀表盤；21.氣箱.

對(duì)規(guī)格為內(nèi)徑φ16 mm、管壁厚0.8 mm和長(zhǎng)度100 mm的光管及文中模擬所用型號(hào)的翅片管（管長(zhǎng)為100 mm），在相同入口溫度（冷流體283 K，熱流體314 K），相同入口流量（2.17 m3/h），相同流動(dòng)形式（逆流）下通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)裝置獲得管內(nèi)R22制冷劑的出口溫度，見(jiàn)表4.

表4 實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，管內(nèi)流體出口溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的誤差，光管誤差為3.6%，翅片管的誤差在10%～15%范圍，造成誤差的原因可能是管內(nèi)外流體有少許發(fā)生了液化相變及生成有限元模型時(shí)，網(wǎng)格劃分的不夠精確.分析表4的實(shí)驗(yàn)值可以進(jìn)一步確認(rèn)翅片管較光管有更好的強(qiáng)化傳熱效果，且翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其換熱效果有明顯的影響.

5 結(jié) 論

（1）管內(nèi)外流體初始條件相同的情況下，翅片管的換熱性能優(yōu)于光管，以實(shí)驗(yàn)中A3B2C3規(guī)格的翅片管為例，在100 mm流程內(nèi)，其管內(nèi)流體的出口溫降較之光管相對(duì)提高0.96 K.

（2）管內(nèi)外流體的流動(dòng)：管內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)單，翅片管管外流體流動(dòng)情況比光管的復(fù)雜的多，翅片高度對(duì)流體的流動(dòng)影響顯著，其次是翅片間距.

（3）翅片間距對(duì)翅片管換熱性能影響明顯，在1～2 mm范圍內(nèi)，翅距越大，換熱性能越強(qiáng)；翅片高度越大，換熱效果越好，但壓降也隨之成倍數(shù)增長(zhǎng)，翅片厚度越小，換熱越好，綜合換熱與壓降兩方面，得到最優(yōu)化方案為A3B1C2，即翅片間距為2 mm，翅片厚度為0.25 mm，翅片高度為1.4 mm.

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