一種流體導向型組合開縫圓管翅片

李兆輝

摘 要：本文提供一種高效低阻的翅片表面，可以提高空氣側對流傳熱系數，提高換熱器的綜合性能。采用數值仿真的方法，模擬發現導向型組合開縫圓管翅片尾流區明顯減小，顯著的提高了管后部尾流區的傳熱，增強了換熱器的傳熱性能。

關鍵詞：導向型;組合開縫翅片;強化傳熱

換熱器的主要用途是藉由溫差進行熱量的交換[1]。換熱器作為空調系統中的一個重要部件，其換熱和阻力性能對空調系統的能效、成本有重要的影響。在空調系統蒸發器和冷凝器中，制冷劑在管內流動，空氣在管外對流傳熱。兩器的傳熱熱阻主要在集中在空氣側對流傳熱，因此通常在管外側安裝翅片增強傳熱。管外翅片強化傳熱發展歷程的研究，可以分為三大階段。第一代翅片主要是平片和波紋片，也稱為表面連續型翅片。翅片表面的波紋通道對破壞流動邊界層強化傳熱的效果較微弱。連續型翅片主要靠增加換熱面積來提高換熱量。專利CN201010215928.3設計了一種波紋翅片，保證了換熱器較好的傳熱性能。文獻中研究表明波紋片的傳熱性能優于平片[2]。第二代翅片是百葉窗和開縫翅片，也稱為間斷型翅片。間斷型翅片通過不斷破壞流體邊界層增強換熱。百葉窗翅片增強傳熱的同時帶來較大的阻力損失。開縫翅片的傳熱系數對比平片有大幅度提升。文獻研究表明，合理設計的開縫翅片傳熱性能優于百葉窗翅片。文獻[3]比較了三種開縫橋片的傳熱效率，通過實驗與數值研究，提出了一種蝴蝶型布置高效率的開縫橋片。第三代翅片主要是各種渦發生器翅片。如三角形翼渦發生器通過產生縱向渦二次流動，延緩邊界層分離，強化圓管后部的傳熱來增強傳熱。按照文獻中常見的common flow up或common flow down布置的三角形翼縱向渦發生器翅片，傳熱的綜合性能優，但單位體積傳熱量小不能滿足空調兩器中大傳熱量的要求[4]。

減小邊界層厚度可以增強傳熱，管翅片換熱器圓管后部溫度梯度小，溫度速度協同較差，本文提供一種流體導向型組合開縫翅片，在開縫位置可以破壞流動邊界層，增加傳熱，同時將更多的流體導入在圓管壁面上，延緩邊界層分離，改善圓管后部的溫度速度協同，增強傳熱。

圖1是翅片整體結構示意圖。為了強化空氣側對流傳熱，采用的技術方案是：包括基片、基片上開有若干翅片管孔、管孔之間有若干條型開縫。翅片管孔直徑為7.3mm，縱向管間距為13.37mm，橫向管間距為21mm。翅片厚度0.095mm。每一條與空氣流向垂直的水平線上布置了3段條形開縫。由于翅片空氣流動下游邊界層較厚，為了強化傳熱布置了寬度更大的條縫，增加傳熱面積和擾動，所以在圓管尾部的條形開縫的寬度布置為1.4mm，其它5條開縫的寬度為1mm。豎縫與基片靠近管孔連接端呈弧形布置，與管孔形成環形流道，可將更多流體引導至圓管后部，延緩流體邊界層分離，增強圓管后部的傳熱。另一方面，中間段開縫與兩側開縫橋形成通道流向指向圓管，也有利于引導流體流向圓管。

本文采用Gambit建模，模型網格數2，016，456。采用ANSYS-Fluent 16.0進行計算，流體模型選擇層流，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式選擇Standard，動量離散格式選擇QUICK格式。溫度離散選擇中心差分格式。

圖2是在相同來流速度1m/s下，采用CFD仿真模擬的某個截面速度分布矢量圖，灰度代表速度大小，顏色越亮代表速度越高。圖中0.5m/s以下的速度矢量不予顯示以更清晰的表明圓管尾流的流動情況。圖2對比了平片、百葉窗翅片、導向型開縫翅片管后部的尾流區，明顯看出，百葉窗翅片優于平片，導向型開縫翅片最優。從灰度分布可以看出，導向型開縫翅片圓管附近區域流體流速更高，減緩了流體在圓管上邊界層的分離，縮小了管后部的尾流區。

圖3是本發明和平片、百葉窗傳熱性能對比圖，橫坐標是雷諾數Re，縱坐標是傳熱j因子。從圖3可看出，在不同來流速度，即不同Re數下，導向開縫橋片比平片傳熱能力高出49%～71%，比百葉窗翅片的傳熱能力高出12%～16%。在不同Re數下，普通百葉窗翅片比平片傳熱能力高出33%～51%。

圖4是在相同泵功下，本發明和平片、百葉窗翅片的性能對比圖。在所考察的范圍內，導向開縫橋片比平片傳熱性能增加了15%～40%，對比百葉窗翅片高出了10%～17%。

通過以上分析可知：組合開縫橋片充分利用了強化傳熱的原理，工藝易于制造，較常規平片、百葉窗翅片綜合性能有較大提升。

結論

本文提供一種流體導向型高效低阻的開縫圓管翅片表面，充分利用強化傳熱原理，改善管后部尾流區的傳熱，提高了整體的空氣側對流傳熱系數，增強了換熱器的綜合性能。

參考文獻

[1]王啟川，熱交換器設計，吳南圖書出版公司。

[2]C.C.Wang，Y.M.Hwang，and Y.T.Lin，Empirical correlations for heat transfer and flow friction characteristics of herringbone wavy fin-and-tube heat exchangers，Int.J.of Refrigeration，25：653-660

[3]H.Z.Li，H.J.Wang，M.Y.Yao，L.X.Zhang，H.F.Gu，J.P.Nie，PIV and thermal-vision experimental and numerical investigation on the airside performance of slotted fin surfaces，Int.J.Heat Mass Transfer 82（2015）568-580.

[4]V.Turo，S.Shobhana，S.Kim，C.Thomas，Fin-and-tube heat exchanger enhancement with a combined herringbone and vortex generator design，Int.J.Heat Mass Transfer 118（2018）602-616.