橢圓管平直—波紋翅片換熱器換熱性能的數(shù)值研究

武廣劍++范旭東++蘇冠旗

摘 要：為能在保證翅片管換熱器換熱效果同時(shí)得到流動(dòng)阻力盡可能小的換熱器形式，本文利用三維數(shù)值模擬方法研究了六種橢圓管平直-波紋復(fù)合翅片通道內(nèi)的換熱與流動(dòng)特性，結(jié)果顯示當(dāng)翅片通道進(jìn)口的空氣速度偏小時(shí)，后兩個(gè)波長(zhǎng)是平直翅片的遞減翅高波紋翅片既能保證換熱效果，又能降低通道內(nèi)的流動(dòng)阻力損失，節(jié)約能耗；當(dāng)翅片通道進(jìn)口的空氣速度偏大時(shí)，均勻遞減翅高波紋翅片為最佳的翅片型式。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；換熱器；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.014

1 物理模型

本文選取六種橢圓管平直-波紋翅片換熱器形式，分別為：Fin A 前兩個(gè)波長(zhǎng)均勻平直翅片的均勻遞增翅高波紋翅片；Fin B 第一個(gè)波長(zhǎng)為平直翅片的均勻遞增翅高波紋翅片；Fin C 均勻遞增翅高波紋翅片；Fin D 后兩個(gè)波長(zhǎng)為平直翅片的均勻遞減翅高波紋翅片；Fin E 最后一個(gè)波長(zhǎng)為平直翅片的均勻遞減翅高波紋翅片；Fin F 均勻遞減翅高波紋翅片。

2 六種翅片流動(dòng)與換熱特性的比較

翅片流道入口空氣速度uin=1.31m/s～9.81，雷諾數(shù)Re=611～4601范圍內(nèi)六種翅片表面Nu隨Re的變化曲線示于1。

由圖所示，隨Re的增大，六種波紋翅片表面Nu均增加，但增加的幅度逐漸減小。Re相同時(shí)，翅片表面Nu由Fin A、Fin B、Fin C、Fin D、Fin E到Fin F依次遞增，說明適當(dāng)增大翅片前端的波紋高度對(duì)換熱效果的強(qiáng)化作用優(yōu)于增大翅片后端的波紋高度。

由圖所示，隨Re的增大，六種波紋翅片的阻力因子f均減小，但減小的幅度逐漸減小。Re相同時(shí)，阻力因子f由Fin A、Fin B、Fin C、Fin D、Fin E到Fin F依次增大。比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)in E 和Fin F 翅片表面的Nu隨Re的變化曲線幾乎是重合的，而Fin F的阻力因子明顯高于Fin E，也就是說Fin E 既能保證良好的換熱效果，又能降低空氣的阻力損失。

3 等壓降、等泵功前提下六種翅片綜合性能的比較

為更全面的衡量六種翅片的綜合換熱性能，現(xiàn)采用等壓降、等泵功作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)六種翅片進(jìn)行對(duì)比。

表1為等壓降時(shí)，六種翅片綜合換熱性能的比較，從表中容易看出，在等壓降下，F(xiàn)in D 、Fin E 和Fin F 的綜合換熱性能優(yōu)于Fin A 、Fin B 和Fin C 。即在等壓降條件下，翅片前端為大波高波紋翅片型式的綜合換熱性能比翅片后為大波高波紋翅片型式的好。

表2為等泵功時(shí)，六種翅片綜合換熱性能的比較，容易發(fā)現(xiàn)，等泵功條件下，F(xiàn)in D 、Fin E 和Fin F 的綜合換熱性能比Fin A 、Fin B 和Fin C 高。

綜合分析以上兩表中數(shù)據(jù)容易得出如下結(jié)論：在等壓降、等泵功前提下，在波紋翅片的前端采用大波高波紋，后端采用小波高波紋或者平直翅片的翅片型式的綜合換熱性能均優(yōu)于在翅片前端采用小波高波紋或者平直翅片，在翅片后端采用大波高波紋的翅片型式。當(dāng)翅片通道的空氣入口速度較小時(shí)，選用后兩個(gè)波長(zhǎng)為平直翅片的遞減翅高波紋翅片即可保證換熱效果，又可降低流道內(nèi)的阻力損失，節(jié)約能耗；當(dāng)翅片通道的空氣入口速度較大時(shí)，均勻遞減翅高波紋翅片為最優(yōu)的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃素逸.強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)展[C].浙江：全國(guó)化工熱工設(shè)計(jì)技術(shù)中心站2004年年會(huì)論文集，2004：41-52.

[2]Kang H J，Li W，Li H Z，et al.Experimental study on heat transfer and pressure drop characteristics of four types of plate fin-and-tube heat exchanger surfaces[J]. Journal of Thermal Science，1994，03（01）：34-42.

[3]Bergles A E.Enhanced heat transfer：Endless frontier，or mature and routine？[J].Enhanced Heat Transfer，1999（06）：79-88.

[4]Guo Z Y，Li D Y，Wang B X.A novel concept for convective heat transfer enhancement[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41（14）：2221-2225.