全開(kāi)縫式翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

王 方， 王鵬超， 徐 強(qiáng)， 梁靜靜， 王 恒

（中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州450007）

0 引 言

隨著我國(guó)節(jié)能減排目標(biāo)的提出與實(shí)施［1］，節(jié)能問(wèn)題深受各行各業(yè)的關(guān)注，在建筑能耗問(wèn)題方面，空調(diào)行業(yè)占據(jù)了重要的一部分，其中，換熱器的換熱性能是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能與否的主要因素之一。目前，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備最常用的換熱器是翅片式換熱器，其主要類(lèi)型有平直形、條縫形、波紋形、百葉窗形等，由于傳熱效率較低，易積灰塵，阻力較大等不足［2］，發(fā)展出了多種新型翅片，旨在通過(guò)結(jié)構(gòu)形式的改變來(lái)提高翅片式換熱器的綜合換熱性能。Lozza等［3］通過(guò)Luve Contardo試驗(yàn)臺(tái)對(duì)15根相同管徑、相同尺寸，但不同形狀的翅片式換熱器進(jìn)行換熱性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同形狀翅片的換熱器，其換熱性能相差較大。王厚華等［4］采用數(shù)值模擬的方法將三對(duì)稱(chēng)大直徑圓孔翅片與矩形翅片進(jìn)行對(duì)比，得出其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比平翅片高25%。Duan等［5］對(duì)波紋翅片平板管換熱器翅片側(cè)的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了努塞爾數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系；Halici等［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了平直翅片管式換熱器關(guān)于管排數(shù)對(duì)其換熱性能及流動(dòng)特性的影響；Liu等［7］提出了對(duì)翅片式扁管換熱器的優(yōu)化方案，進(jìn)行了傳熱系數(shù)和壓力損失的數(shù)值計(jì)算，并分析了物理性能對(duì)換熱的影響。Pis’mennyi等［8］提出了一種新型的非完全翅片扁圓管形式的擴(kuò)展傳熱面，并與傳統(tǒng)的翅片圓管換熱器進(jìn)行對(duì)比，得出其換熱效果相對(duì)較好；費(fèi)繼友等［9］通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方法對(duì)平直翅片式換熱器結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高換熱器的換熱效率；Chu等［10］通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)比分析了不同翅片間距、管間距及管徑對(duì)圓管和橢圓管形式的波紋翅片管換熱器的影響；趙亞萍等［11］通過(guò)采用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)順排、錯(cuò)排和錯(cuò)列3種不同排列方式的矩形翅片橢圓管換熱器進(jìn)行性能分析；章國(guó)芳等［12］研究了在順排、叉排兩種排列方式下的翅片管換熱器管外流場(chǎng)速度、摩擦系數(shù)等分布特性；何明勛等［13］研究了翅片管換熱器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文針對(duì)全開(kāi)縫式翅片管換熱器，通過(guò)因素分析法對(duì)翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、翅片長(zhǎng)度、翅片寬度和翅片間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其綜合換熱性能達(dá)到最佳效果，在滿(mǎn)足環(huán)境舒適度的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 模型建立

Zhao等［14］研究的矩形翅片橢圓管換熱器模型和楊文靜等［15］研究的圓形翅片換熱器物理模型均已被驗(yàn)證與實(shí)際問(wèn)題相符，本文所研究的全開(kāi)縫式翅片管換熱器模型是在兩者的基礎(chǔ)上建立的，因此可間接地驗(yàn)證為準(zhǔn)確可靠的。

1.1 幾何模型

本文主要是在平直翅片管換熱器與開(kāi)縫翅片管換熱器的基礎(chǔ)上提出的一種新型的全開(kāi)縫換熱器，圓管從每個(gè)翅片中心穿過(guò)，管道為四管程錯(cuò)排形式，材質(zhì)為銅管，翅片的材質(zhì)為鋁片，管內(nèi)流動(dòng)液態(tài)低溫冷水，外側(cè)由高溫空氣略過(guò)翅片。由于翅片周期性的排列在管外，取相鄰兩排翅片之間的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、翅片長(zhǎng)度、翅片寬度和翅片間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。該模型的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 全開(kāi)縫式翅片管換熱器基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 數(shù)值模型

（1）基本假設(shè)。翅片管換熱器的換熱過(guò)程主要針對(duì)如下假設(shè)：①流體為不可壓縮流體；②換熱及流動(dòng)過(guò)程為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；③銅管與鋁翅片之間不考慮接觸熱阻；④流體水平吹過(guò)翅片，且入口處溫度一致；⑤流體、銅管、鋁翅片物性參數(shù)均為定值。

（2）網(wǎng)格劃分。根據(jù)翅片排列的對(duì)稱(chēng)性及周期性，選取相鄰兩翅片中心面之間的區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，用ICEM CFD軟件進(jìn)行模型建立，對(duì)固體流域與流體流域進(jìn)行劃分，并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)1.5 mm，整體網(wǎng)格質(zhì)量Determinant 3×3×3保持在0.75以上，計(jì)算域生成的網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖

（3）邊界條件。選定計(jì)算域的左端面為速度進(jìn)口，設(shè)定速度為2 m／s，溫度為298 K，右端面為壓力出口；前后面均設(shè)定為對(duì)稱(chēng)面，上下面為絕熱面；銅管壁面溫度設(shè)定為290 K，且翅片與銅管接觸面溫度與銅管溫度一致；與流體接觸的翅片表面?zhèn)鳠岱绞綖榱鞴恬詈蟼鳠岱绞健?/p>

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要是從翅片管的橫縱向間距、翅片厚度、長(zhǎng)度、寬度和間距6種因素對(duì)換熱器換熱系數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)還要考慮到換熱系數(shù)、換熱面積及換熱溫差等對(duì)換熱量的綜合影響，每種因素選取5種尺寸，其結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

為了快速、高效地得到多因素多水平形式中的最優(yōu)結(jié)果，同時(shí)對(duì)單個(gè)因素獨(dú)立分析，與其他因素不發(fā)生互交作用，可采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，利用正交性從試驗(yàn)中選取出具有代表性的組合。本文是一個(gè)6因素5水平的問(wèn)題，選用正交表L25（56）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其正交試驗(yàn)因素分析如表2所示。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

表2 正交試驗(yàn)因素水平 mm

2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用Fluent軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出的25種方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算模型選取Laminar模型，求解計(jì)算方法采用Coupled算法，其中，梯度項(xiàng)差分采用Least Squares Cell Based格式，壓力項(xiàng)差分采用Second Order格式，動(dòng)量項(xiàng)和能量項(xiàng)采用Second Order Upwind格式，各項(xiàng)松弛因子采用默認(rèn)設(shè)置。經(jīng)數(shù)值計(jì)算得出如表3所示的試驗(yàn)結(jié)果。

正交試驗(yàn)的25次試驗(yàn)結(jié)果中，將各因素各水平的試驗(yàn)值累加后求平均值，其結(jié)果如表4所示。表4中R為同一因素不同水平之間ki的最大值與最小值之間的差值，即為極差。在同一種因素中，R越大，反映了水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大；相反，其水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越小。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)直觀分析 mm

表中，R值反映6種因素對(duì)換熱系數(shù)的影響程度從大到小的順序?yàn)椋害模緃＞d＞n＞x＞y；由于換熱系數(shù)越大換熱效果越好，因此對(duì)于換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為：x4y3δ5h1d2n1，其具體優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：x＝135 mm，y＝22 mm，δ＝0.6 mm，h＝90 mm，d＝65 mm，n＝2 mm。

為了便于分析換熱系數(shù)變化情況，分別作出各因素不同水平對(duì)換熱系數(shù)的影響趨勢(shì)圖。由圖3可見(jiàn)，翅片厚度對(duì)換熱系數(shù)的影響最大，翅片長(zhǎng)度、寬度、間距對(duì)換熱系數(shù)的影響間距次之，橫向間距和縱向間距的影響最小。

對(duì)于翅片管換熱器的x、y，其值變化主要是用來(lái)增加流體的擾動(dòng)，進(jìn)而減小流體邊界層厚度，以達(dá)到增強(qiáng)換熱的目的。從圖3（a）、（b）可知，對(duì)于x和y在選取的區(qū)域范圍內(nèi)，對(duì)換熱系數(shù)的影響是先增大后減小，并不是其值越大，換熱系數(shù)就越大，因此，可以得出，x＝135 mm、y＝22 mm時(shí)在選取的范圍之內(nèi)為最佳效果。

h和d主要是用來(lái)決定換熱接觸面積的大小，進(jìn)而影響整體換熱的效果。由圖3（d）、（e）可見(jiàn)，換熱系數(shù)隨著翅片長(zhǎng)度的增大而減小，隨著翅片寬度的增大先增大后減小。這說(shuō)明，換熱面積過(guò)大不僅不能促進(jìn)換熱，反而會(huì)使換熱系數(shù)降低；若繼續(xù)減小翅片長(zhǎng)度，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)縫過(guò)大，致使換熱面積過(guò)小而影響換熱。因此，在選取的區(qū)域范圍內(nèi)，h＝90 mm、d＝65 mm時(shí)換熱效果更好。

如圖3（c）、（f）所示，從理論上分析可知，換熱系數(shù)隨翅片厚度δ的增加而增加，但是其變化趨勢(shì)變緩。這說(shuō)明，換熱系數(shù)受δ影響的變化率在縮小，若繼續(xù)增大δ，則會(huì)使翅片管換熱器的經(jīng)濟(jì)性下降；換熱系數(shù)隨翅片間距n的增大呈下降趨勢(shì)，且n＝2 mm時(shí)的換熱系數(shù)明顯高于其他值，這是由于翅片間距過(guò)小，致使兩翅片間的邊界層相互干擾，對(duì)換熱系數(shù)影響最大。若繼續(xù)減小翅片間距，不僅會(huì)使進(jìn)出口壓降增大而浪費(fèi)能源，還會(huì)使生產(chǎn)成本提高。因此，經(jīng)綜合考慮，δ＝0.6 mm、n＝2 mm時(shí)換熱狀態(tài)符合實(shí)際應(yīng)用。

圖3 各因素對(duì)換熱系數(shù)的影響趨勢(shì)

3 最優(yōu)參數(shù)模擬分析

根據(jù)以上的正交試驗(yàn)直觀分析得出全開(kāi)縫式翅片換熱器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)其最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的翅片換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出其最優(yōu)換熱系數(shù)如下：x＝135 mm，y＝22 mm，δ＝0.6 mm，h＝90 mm，d＝65 mm，n＝2 mm，H ＝28.73 W／（m2·K）。

為了便于形象地顯示出計(jì)算域的整體分布情況，通常使用云圖來(lái)表示。本文主要選用速度云圖及溫度云圖對(duì)空氣域的中心面處及翅片表面處進(jìn)行分析。圖4、5分別為中心面處和翅片表面處的溫度云圖。隨著換熱的進(jìn)行，空氣溫度隨流動(dòng)方向逐漸降低，前兩排翅片處的空氣溫度梯度變化明顯高于后兩排，最前面的翅片表面處的溫度梯度變化相對(duì)較大，在圓管的背面有一不發(fā)生換熱或換熱現(xiàn)象較弱的區(qū)域，主要是由于空氣的滯留和翅片表面流體邊界層所致；圖6、7為中心面處和翅片表面處的速度云圖，可以看出，在管壁背風(fēng)面存在滯留區(qū)，在此區(qū)域，換熱現(xiàn)象不明顯，中心面處的速度梯度變化比翅片表面處均勻，且中心面速度相對(duì)較高，翅片表面處的速度大小相對(duì)較低，在空氣流通截面較窄處，氣流速度最高可達(dá)到5 m／s。

圖4 中心面處溫度云圖

圖5 翅片表面處溫度云圖

圖6 中心面處速度云圖

圖7 翅片表面處速度云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)的方法對(duì)翅片管換熱器的橫縱向間距、翅片厚度、翅片長(zhǎng)度、翅片寬度和翅片間距主要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。得出，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為橫向間距135 mm，縱向間距22 mm，翅片厚度0.6 mm，翅片長(zhǎng)度90 mm，翅片寬度65 mm，翅片厚度2 mm。

（2）通過(guò)對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的翅片管換熱器進(jìn)行模擬計(jì)算，得出在合理選取的參數(shù)范圍之內(nèi)其最大平均表面換熱系數(shù)為28.730 W／（m2·K）。

（3）利用云圖對(duì)計(jì)算域整體分析，可知空氣溫度隨流動(dòng)方向逐漸降低，前兩排翅片的換熱效果比后兩排明顯；管壁的被風(fēng)面存在滯留區(qū)，導(dǎo)致此處的換熱現(xiàn)象不明顯；在空氣流通截面最窄處，最高氣流速度可達(dá)5 m ／s。

·名人名言·

大學(xué)的榮譽(yù)，不在它的校舍與人數(shù)；而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特