開縫翅片換熱器三維流動傳熱特性數值研究

鹿欽禮，熊新強，馬貴陽，杜明俊，陳鵬鵬

開縫翅片換熱器三維流動傳熱特性數值研究

鹿欽禮1，熊新強2，馬貴陽1，杜明俊2，陳鵬鵬3

（1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 0622552 2.中國電器科學研究院，廣東 廣州 510860）

建立了開縫翅片換熱器三維流動傳熱物理模型和數學模型，針對不同開縫位置的換熱單元進行數值計算。并應用場協同理論分析了不同入口速度對換熱特性的影響。研究表明：對翅片進行開縫能夠有效提高翅片管的換熱性能、強化傳熱，且下游開縫比上游開縫換熱效果好，全部開縫換熱效果最好。隨著入口速度的增大4種翅片換熱量明顯增強，增加入口流速也可提高換熱效率，但壓力損失較大。計算結果可為工程實際應用提供一定的理論指導。

翅片換熱器；開縫；場協同理論；換熱特性；數值研究；

換熱器作為工藝過程必不可少的單元設備廣泛應用于石油、化工、動力、冶金、船舶、交通、制冷、空調等諸多領域。目前關于空調翅片尤其對翅片管三維數值研究的文獻還很少[1-5]。隨著對開縫翅片傳熱特性的深入研究和設計工藝的不斷完善，開縫翅片換熱性能的量化及結構尺寸的優化已成為今后研究的重點問題。本文主要從開縫翅片提高換熱效率出發，對翅片管換熱單元進行三維數值模擬。分析了開縫位置和方法對翅片管換熱性能的影響。為改善換熱器性能優化設計參數提供一定的理論指導。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文針對4種形式（無縫翅片（A）、上游開縫(B)、下游開縫(C)、全部開縫(D)）的兩排翅片管的三維模型進行數值計算，開縫方式采用X型雙橋開縫。為了避免回流，在流動方向上，入口延長l.5倍管徑，出口延長5倍管徑。開縫處條帶翅片交替向上、向下突起,突起高度0.64 mm ，寬度1 mm，基管外徑7 mm，翅片間距1.4 mm,翅片厚0.12 mm,橫向管間距21 mm,縱向管間距12.7 mm。基于延長區域上下面及前后面全部為對稱性邊界條件，故將模型簡化處理。圖1為全開縫翅片管三維計算網格局部放大圖。

圖1 （全開縫翅片）計算區域網格局部放大圖Fig.1 (Open seam fin) partial enlargement of regional grid computing

1.2 數學模型

不可壓縮、穩態、常物性、三維流體流動控制方程如下：

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

1.3 變量定義[6]

壓降：

式中：pin—進口平均壓力；

pout—出口平均壓力。

換熱系數：

式中：Q—管外側換熱量；

A—管外側換熱面積。

速度場與溫度場夾角平均值[7]：

式中：um—最小截面平均流速，m/s；

Pr—普朗特數，Pr=0.698；

μ—動力粘度，Pa·s；

ρ—流體密度，kg/m3；

λ—導熱系數，W/（m·K）。

2 數值模擬及結果分析

這里所研究的翅片管換熱器所用的材料均為銅，被加熱的空氣從左側均勻流入，進口溫度為30℃。管內介質為熱水，由于水與管壁之間的換熱系數以及銅的導熱系數均很大，故將管內壁設為105℃恒溫邊界條件，翅片內部進行流固耦合換熱計算。

圖2給出了不同開縫位置翅片管X-Y截面溫度場等值線圖，結合速度場（云圖未給出）分析可知：在流動的上游區域，流線與等溫線幾乎正交，二者夾角很小，協同性較好；在流動的下游區域，特別是管子后面的繞流區域，兩個矢量的夾角較大，協同性差。在速度場和溫度場協同比較差的下游開縫（翅片C）可以有效的改善傳熱效率。而對上下游同時開縫（翅片D）能夠更好的改善速度場和溫度場的協同情況。

圖2 不同開縫位置翅片管X-Y截面溫度場等值線Fig.2 Temperature field isoline of different seam position finned tube x-y section

圖3給出了速度場和溫度場夾角平均值隨流速的變化關系。

圖3 溫度場速度場夾角隨流速的變化關系Fig.3 Change of temperature field and velocity field angle with velocity

分析可知：隨著流速的增加，4種翅片的平均夾角都增大，說明換熱的增強主要是由于流量的增加而引起的，但場的協同性變差。在相同流速下，全開縫翅片D的平均夾角最小，場的協同性最好，換熱最強；相反全平片的夾角最大，協同性最差，換熱最弱。而翅片C 的夾角比翅片B略小，說明：翅片后部開縫比前部開縫，速度場和溫度場的協同性更好。圖4給出了翅片管壁總換熱量隨流速的變化關系。

圖4 翅片管壁總換熱量隨流速的變化關系Fig.4 Total heat transfer change of finned wall with velocity

分析可知：4種翅片管壁的總換熱量均隨入口流速的增加而增大，這是由于入口速度的增大增強了空氣側的湍流程度，使管璧面邊界層減薄，從而強化傳熱效率。4種翅片中翅片A的換熱效果最差，翅片B次之，而翅片C的換熱效果顯然比翅片B好，這是由于翅片的開縫位置設在流動下游速度場和溫度場協同性比較差的區域，這樣可以更有效地強化傳熱。翅片D的傳熱效果最好，并且當入口速度越大時效果越明顯。

圖5給出了翅片怒賽爾數隨流速的變化關系。

圖5 翅片的怒賽爾數隨流速的變化關系Fig.5 Change of fin Nusselt number with velocity

分析可知：隨著流速的增加，不同方式的翅片管整體換熱性能均增強。開縫翅片的換熱性能顯然比平直翅片要好，且開縫位置不同，整個翅片的換熱性能也不同。翅片下游開縫比上游開縫換熱性能更好，全局開縫換熱性能最好。

圖6給出了進出口壓降隨流速的變化關系。

圖6 進出口壓降隨流速的變化關系Fig.6 Change of pressure drop of inlet and outlet with velocity

分析可知：隨著入口流速的增大4種翅片壓差均增大，且3種開縫翅片的壓降比平直翅片大得多，從而導致沿程阻力增加。壓降和阻力的大小關系到選取風機的功率。因此，在實際應用中應在考慮加強換熱特性的同時考慮能耗的影響，合理制定優化方案。

3 結論及建議

通過對不同形式翅片管換熱單元的三維數值計算可知：對翅片進行開縫能夠有效提高翅片管的換熱性能，從場協同原理角度分析可知，開縫翅片可以有效的強化傳熱。且下游開縫比上游開縫換熱效果好，全部開縫換熱效果最好。隨著入口速度的增大4種翅片換熱量明顯增強，說明入口速度的增加也可以增強換熱效果，但壓力損失較大，所以在設計開縫的同時應該考慮增大風機功率所帶來的負面影響。

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Numerical Study on Three-Dimensional Flow Heat Transfer Characteristics of the Slot Fin Heat Exchanger

LU Qin-li1，XIONG Xin-qiang2，MA Gui-yang1，DU Ming-jun 2 CHEN Peng-peng3
(1.College of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China；2.China Petroleum Engineering Co., Ltd. North China Company，Hebei Renqiu 062552，China；3.China National Electric Apparatus Research Institute，Guangdong Guangzhou 510860，China）

The physical model and mathematical model of slot fin heat exchanger three-dimensional flow heat transfer were established, and some numerical calculations on heat transfer units with different slot locations were carried out.Influence of different inlet velocities on heat transfer characteristics was analyzed with the field synergy principle. The results show that slot on the fin can effectively improve heat transfer performance and heat transfer enhancement of finned tube, and the heat transfer effect of the upstream slot is better than the downstream slot, the best heat transfer effect is all upstream slot and downstream slot. With increase of inlet velocity, heat exchange capacity of four fins heat exchanger significantly increases, to increase inlet velocity can also improve heat transfer efficiency ，but pressure loss is bigger. The calculation results can provide some theoretical guides for the engineering practical application.

Fin heat exchanger ；Slot; Field synergy principle; Heat exchanger performance; Numerical study

TQ 021.3

A

1671-0460（2010）06-0706-03

2010-07-14

鹿欽禮（1977—），男，講師，碩士，吉林白城人，研究方向：主要從事計算流體力學和傳熱的研究。E-mail：luqinli@126.com。