空冷散熱器開縫翅片管束外空氣流動(dòng)傳熱特性研究

張薇，杜小澤，楊立軍

1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1022062.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南鄭州450001

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空冷散熱器開縫翅片管束外空氣流動(dòng)傳熱特性研究

張薇1，2，杜小澤1，楊立軍1

1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206
2.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南鄭州450001

摘要：在傳統(tǒng)平直翅片上表面上開孔、開縫是有效強(qiáng)化翅片管空氣側(cè)傳熱的方法。通過對(duì)典型空冷翅片管束的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬得到開縫翅片管束的流動(dòng)阻力和傳熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速變化規(guī)律，擬合得到了流動(dòng)摩擦因子和努謝爾特?cái)?shù)隨雷諾數(shù)的無因次關(guān)系式。結(jié)果表明：隨著迎面風(fēng)速加大，空氣會(huì)對(duì)換熱阻力產(chǎn)生不同程度的影響，但換熱性能的增加幅度高于壓降的增加幅度。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：空冷散熱器；開縫翅片管；流動(dòng)傳熱性能

翅片管是一種常見的間壁式換熱器，廣泛應(yīng)用在空調(diào)制冷、化工、汽車等領(lǐng)域的換熱器中。其管內(nèi)側(cè)為單相或相變流體，管外側(cè)為空氣、煙氣等氣體介質(zhì)。由于翅片管換熱器管外側(cè)的氣體換熱熱阻在換熱器熱阻中占主要的比重，往往通過改進(jìn)管外側(cè)的翅片形式來提高氣體側(cè)的換熱系數(shù)。在普通的平直翅片上表面上開孔、開縫是一種有效的強(qiáng)化空氣側(cè)傳熱方法。對(duì)開縫翅片的研究，文獻(xiàn)［1，2］給出了單向和雙向開縫翅片實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但由于開縫翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸參數(shù)不同程度影響其流動(dòng)和換熱。He等學(xué)者［3］選擇了場(chǎng)協(xié)同原理作為切入點(diǎn)，針對(duì)平翅片管展開數(shù)值模擬研究，并對(duì)雷諾數(shù)與翅片參數(shù)對(duì)翅片管換熱性能產(chǎn)生的作用深入分析。學(xué)者M(jìn)on和Gross［4］則選擇4排環(huán)形翅片管錯(cuò)列及順列布置這一狀態(tài)下，其管束性能展開數(shù)值與流場(chǎng)等一系列可視化的實(shí)驗(yàn)與研究。Yan和Sheen［5］兩位學(xué)者借助實(shí)驗(yàn)對(duì)比的辦法，對(duì)平翅片、波形翅片、百葉窗翅片的管束換熱器性能展開研究與分析，最終經(jīng)過數(shù)據(jù)分析獲得對(duì)流換熱系數(shù)和壓降與迎面風(fēng)速的關(guān)系。學(xué)者楊立軍等［6］采用數(shù)值模擬研究的辦法，對(duì)間接空冷系統(tǒng)空冷散熱器翅片管束流動(dòng)傳熱性能展開深入研究。學(xué)者黨艷輝等［7］就翅片上有無擾流孔矩形翅片表面的傳熱系數(shù)展開分析，并總結(jié)其分布規(guī)律。綜上關(guān)于翅片管束流動(dòng)傳熱性能的研究不少，但針對(duì)電站空冷換熱元件的研究不多，加上空冷散熱器結(jié)構(gòu)形式多樣，現(xiàn)有的數(shù)值研究對(duì)翅片管模型過于簡(jiǎn)化。本文擬通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究獲得常用福哥型四排開縫翅片管散熱器的性能參數(shù)，為電站冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。

1　物理數(shù)學(xué)模型

1.1物理模型間冷基本換熱元件

空冷四排管換熱器為圓形鋁管鋁翅片散熱器，外形圖如圖1所示，空氣外掠交錯(cuò)布置的四排管束，翅片管基管管徑為25 mm，基管壁厚1.5 mm，開橋高度為2 mm，開橋?qū)挾?.75 mm。翅片采用開橋設(shè)計(jì)以增強(qiáng)擾流效果強(qiáng)化傳熱。該四排翅片管散熱器水側(cè)的流通面積有所增加，流動(dòng)阻力減小，冷卻循環(huán)水采用雙流程逆向交叉流。

圖1　基管和四排翅片管外形圖Fig.1 Basic pipes and four-row finned tubes

圖2　幾何模型及邊界條件Fig.2 Computational model and boundary conditions

1.2數(shù)學(xué)模型和邊界條件

空冷散熱器的圓形基管借助導(dǎo)熱來實(shí)現(xiàn)管內(nèi)水帶有的熱量的傳遞，使得鋁翅片獲得熱量，基管與翅片則借助對(duì)流的辦法進(jìn)一步將熱量傳遞，使得外掠空氣獲得熱量，這一過程是實(shí)現(xiàn)了空氣對(duì)流換熱和固體導(dǎo)熱相互耦合。因?yàn)槌崞軗Q熱器所帶有的幾何結(jié)構(gòu)具有一定的周期性與對(duì)稱性，因此可以選擇翅片管的對(duì)稱部分展開分析，構(gòu)建起研究模型，具體如下圖2所示。所有的計(jì)算區(qū)域可以劃分為三大部分，依次為進(jìn)口、中間、出口部分，并構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)狀。為了降低入口駐點(diǎn)與出口回流所帶來的干擾，分別將其延長(zhǎng)到80 mm與160 mm。借助多種網(wǎng)格書面來展開模擬計(jì)算，以次來確知其與網(wǎng)格是否有關(guān)［8］，確保計(jì)算結(jié)果不會(huì)被網(wǎng)格質(zhì)量與疏密程度所干擾，最后明確模型的總網(wǎng)格數(shù)為10，607，540個(gè)。計(jì)算域采用速度入口，空氣迎面風(fēng)速在0.5～2.4 m/s范圍內(nèi)變化，空氣入口溫度為25.5℃，出口為壓力出口邊界條件，上下為周期性邊界，前后為對(duì)稱性邊界。通用的控制方程為：

ρ代指密度；uj則是xj方向的速度分量；φ、Гφ與Sφ依次表示控制變量、擴(kuò)散系數(shù)、源項(xiàng)。

2　結(jié)果和討論

2.1數(shù)據(jù)整理

參照文獻(xiàn)《火力發(fā)電廠空冷塔及空冷凝汽器試驗(yàn)方法》（DL/T552—95）中空冷散熱器試驗(yàn)室熱力及阻力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)來展開各項(xiàng)資料的整理。借助對(duì)各個(gè)迎面風(fēng)俗下空氣降壓與進(jìn)出口溫度展開計(jì)算，從而獲得到壓降和對(duì)流換熱系數(shù)與迎面風(fēng)速變化之間的關(guān)系，進(jìn)而擬合獲得努賽爾特?cái)?shù)和摩擦因子的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。整理數(shù)據(jù)的具體方法如下：

在此公式內(nèi)，pin是入口空氣平均總壓；pout是出口空氣平均總壓。

式中，Q為傳熱量；A為模型翅片管外表面積；△Tm為傳熱對(duì)數(shù)平均溫差。

式中，Tw為基管內(nèi)表面壁面溫度；Tin為進(jìn)口空氣溫度；Tout為出口空氣溫度。

式中，u代表的是翅片間最小流通截面上的流速；D代表的是翅片管特征尺寸，取圓管外徑；v代表的是空氣運(yùn)動(dòng)黏度。

采用強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則數(shù)（performance evaluation criteria，PEC）來作為標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)價(jià)翅片管束的換熱流動(dòng)性能的綜合流動(dòng)傳熱性能。

2.2流場(chǎng)和溫度場(chǎng)

圖3為在迎面風(fēng)速1.5 m/s時(shí)開縫翅片四排管束的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)云圖。從圖中可以看出，空氣在流經(jīng)圓管附近流速因流道面積減小流速增大，但由于擾流孔的作用在流通區(qū)域流速接近均勻，在擾流孔的兩端流速因邊際效應(yīng)較高，基管后部的尾渦得到改善?；跀_流孔對(duì)邊界層的干擾和摻混效應(yīng)，溫度場(chǎng)在整個(gè)翅片上的分布得到改善，從而翅片管平均傳熱性能得以提高。

圖3　開縫翅片四排管周期面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)Fig.3 Velocity magnitude and static temperature of four-row tubes with slotted fins

2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，計(jì)算工況下翅片管的壓降和傳熱系數(shù)隨空氣迎面風(fēng)速的變化規(guī)律如圖4和圖5所示，由圖可見：在迎面風(fēng)速不斷加大的過程中，四排管具有的流動(dòng)阻力與傳熱系數(shù)都會(huì)相應(yīng)變大。其中隨換熱系數(shù)的增加較壓降的增加明顯。模擬值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比分析表明：模擬值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。在相同的迎面風(fēng)速下，模擬傳熱系數(shù)比試驗(yàn)傳熱系數(shù)高4.30%～15.76%；模擬阻力高于試驗(yàn)阻力2.57%～14.01%。

計(jì)算得到摩擦因子、努謝爾特?cái)?shù)隨雷諾數(shù)變化規(guī)律如圖6所示，結(jié)果表明：f隨Re增加明顯降低，在低Re時(shí)尤為顯著；與之相反，Nu隨Re增加而升高。PEC能夠全面體現(xiàn)流體流經(jīng)傳熱表面時(shí)單位功耗的對(duì)流換熱狀況，PEC越高則意味著管束的綜合熱力性能越趨于優(yōu)良。由圖6（c）可見隨Re增加而增加，翅片綜合流動(dòng)傳熱性能增強(qiáng)，即傳熱性能提高的幅度優(yōu)于流動(dòng)阻力的增加。

圖6　摩擦因子,努謝爾特和PEC隨Re的變化關(guān)系Fig.6 Friction factor, Nusselt and PEC number versus Reynolds number

2.4特征數(shù)關(guān)聯(lián)式

將數(shù)值模擬最終的結(jié)果里有關(guān)壓降、對(duì)流換熱系數(shù)于性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與迎面風(fēng)速的變化關(guān)系借助擬合得到摩擦因子、努謝爾特?cái)?shù)、性能指標(biāo)隨雷諾數(shù)變化的無因次關(guān)系式，見式（9）～（11），可用于該間冷換熱器的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。

對(duì)于圓管翅片管束，關(guān)聯(lián)式的適用范圍為：1000≤Re≤18000。

3　結(jié)論

通過對(duì)空冷換熱器四排開縫翅片管束的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到四排管空冷散熱器的流動(dòng)阻力與傳熱系數(shù)和迎面風(fēng)速變化之間的關(guān)系，并擬合獲得摩擦因子和努謝爾特?cái)?shù)隨雷諾數(shù)的無因次關(guān)系式，該結(jié)論可用于間接空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。經(jīng)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)：間接空冷換熱器四排管的換熱性能和壓降隨著迎面風(fēng)速的增大而增大，整體流動(dòng)換熱性能有所提高。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合較好，在相同的迎面風(fēng)速下模擬傳熱系數(shù)比試驗(yàn)傳熱系數(shù)高4.30%～15.76%；模擬阻力高于試驗(yàn)阻力2.57%～14.01%。

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Study on Characteristics of Flow Heat Conduction outside the Pipe Bundle of Air-cooled Radiator with Slotted Fins

ZHANG Wei1，2，DU Xiao-ze1，YANG Li-jun1

1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，Ministry of Education/North China Electric Power University，Beijing 102206，China
2. School of Environmental and Municipal Engineering/North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China

Abstract：It is an effective way to slot or punch on a plain fin surface for improving heat conduction performance. This paper obtained the variation laws of resistance and heat conduction coefficient with the frontal velocity outside a pipe bundle of a radiator with slotted fins from the numerical simulation for flow heat conduction characteristics of typical air-cooled pipe bundle and got a no-causal fitting relationship expression between the friction factor and Nusselt number versus Reynolds number. The results showed that air could make the effect on heat exchange resistance with the increase of the frontal velocity in a certain extent but the increased range in heat exchange was greater than pressure drop. There is a better consistence between simulation and experiment.

Keywords：Air-cooled heat radiator；slotted finned pipe；flow heat conduction performance

中圖法分類號(hào)：TK124；TM621

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-2324（2016）03-0452-04

收稿日期：2015-09-12修回日期：2015-11-20

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃：燃煤發(fā)電系統(tǒng)冷端高效釋熱、余熱梯級(jí)利用及多冷源集成（2015CB251503）；華水青基資助項(xiàng)目：直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究（HSQJ2009024）

作者簡(jiǎn)介：張薇（1976-），女，博士研究生，主要從事電站空冷系統(tǒng)研究. E-mail：zhangwei@ncwu.edu.cn