鐘建華， 唐治立， 林師朋， 劉艷霞， 袁志燕

（江西理工大學材料科學與工程學院，江西 贛州341000）

0 引 言

換熱設備廣泛應用于化工、石油、能源、冶金、建筑等各個領域.據統(tǒng)計，在現(xiàn)代化工企業(yè)中40%～60%的設備屬于換熱設備.隨著生產規(guī)模的擴大和能源問題的日益突出，制造體積小、耗能低、流動阻力小、高效緊湊的換熱器將具有重要意義.而強化傳熱是實現(xiàn)這一目標的根本途徑[1].

翅片管作為強化傳熱的有效元件在換熱器中的使用越來越廣泛，特別是在兩側換熱系數(shù)相差較大（例如一側為液體，一側為氣體），其強化傳熱效果更突出.翅片管的散熱性能一方面依賴于其翅片高度、翅片厚度和翅片間距[2]；另一方面依賴于翅片管周圍流體的流動狀態(tài).利用有限元分析軟件ANSYS中的流體傳熱分析模塊（FLOTRAN CFD）對翅片管換熱過程進行二維數(shù)值模擬，研究其熱交換過程和傳熱效果，通過對正交實驗結果的直觀分析，優(yōu)化其結構參數(shù)，進而指導其加工.

1 實驗研究方法

目前，翅片管多用于空調的冷凝器、蒸發(fā)器的換熱元件，本文以常用于冷凝器中的低翅片管為研究對象，根據其實際的傳熱方式，選定氣-氣的兩組分對流傳熱模型，即模擬翅片管的實際工況，管內為高溫R22制冷劑氣體，管外為冷空氣，以逆向對流的方式進行對流換熱.

選取對翅片管換熱影響較大的3個結構參數(shù)作為研究的出發(fā)點，分別為翅片間距（P），翅片厚度（T）及翅片高度（H），每個因素取3種水平，忽略交互作用，采用正交表L9（34）來安排實驗[3]；翅片管其他主要結構參數(shù)如下：內徑取φ16 mm，底壁厚（基管厚度）為0.8 mm.由于翅片管具有軸對稱的結構，故此處選用沿管軸向橫截面的上半部分作為研究對象，如圖1所示 （圖1中箭頭表示為流動方向）.

圖1 幾何模型

圖1中A1為管內流通的R22制冷劑氣體，A2為翅片管，A3為管外流通的冷空氣，在ANSYS中建立上述模型并進行數(shù)值模擬分析；通過對正交實驗結果的直觀分析，得出各結構因素對翅片管換熱、壓降等性能影響的主次關系，進而確立其綜合性能評價指標，從而完成對低翅翅片管結構的優(yōu)化[4].

2 邊界條件及載荷施加

管外空氣外邊界L1確定為無滑移條件，即此處Vx=0、Vy=0，管軸線L2為對稱線，故此處Vy=0，為了簡化計算模型，假定換熱過程中的流體的物性參數(shù)為常值，具體的載荷及物性參數(shù)如表1、表2所示[5].

載荷 入口溫度/K 入口速度/（m·s-1） 出口壓力/Pa 314 3 0 4 3 0流體物性參數(shù)密度/（kg·m-3）黏度/（×10-5Pa·S）68.172 0.01 2.41 1.350 6導熱系數(shù)/[W·（m·K）-1]比熱容/[kJ·（kg·K）-1]

表2 管外流體（冷空氣）載荷及其物性參數(shù)

3 數(shù)值模擬過程

3.1 流動狀態(tài)模擬

在ANSYS中對翅片管的傳熱過程進行數(shù)值模擬時，先是模擬其流動狀態(tài)，求解出流動方程，進而可以得到動能、速度、壓力等因素的分布場，在流體分析的基礎上，加載熱載荷，進行溫度分析，從而得出溫度分布情況[6].對翅片管管內外流體流動狀態(tài)進行數(shù)值分析時，由其雷諾系數(shù)（管內：Re=2.423×105；管外：Re= 7 042）可判斷管內外流體均為湍流流動，由其馬赫數(shù)可知流體為不可壓縮流體[7-8]，故求解翅片管管內外流體流動狀態(tài)時，將流體設置為不可壓縮紊流狀態(tài)，進行穩(wěn)態(tài)求解.

求解流動狀態(tài)時，需對計算過程的收斂性及穩(wěn)定性進行監(jiān)測，如圖2所示，為求解計算的收斂監(jiān)測曲線，由此可知，整個求解過程是收斂的，求解結果可靠[9].

圖2 收斂監(jiān)測曲線

3.2 流動模擬結果

圖3及圖4分別示出了光管與某型號翅片管換熱過程中管內外流體的壓力分布，從圖3可以看出光管管內外流體的壓力分布比較有規(guī)律，流體在流動過程中，壓力逐漸減小；在保持進口速度不變的情況下，光管的壓降比翅片管的壓降要小很多，即翅片管上的翅片在增加散熱面積的同時也增大了流體的流動阻力，從而使位于管外有翅片一側的流體的壓力成倍增大.由圖4可看 出，翅片管管外入口端流體壓力變化劇烈，特別是在靠近第一片翅片的地方，流體壓力變化異常明顯，總體趨勢是由管壁向邊界從大到小線性變化，靠近邊界處壓力趨于穩(wěn)定.

圖3 光管壓力分布圖

圖4 翅片管壓力分布圖

翅片管管內外流體的速度分布情況類似于其壓力分布情況，管內流體流動較規(guī)律，處于層流狀態(tài)，靠近管壁的地方，流速小，由管壁向管軸方向速度不斷變大，管軸處的速度近似等于流體入口速度.由圖5可知管外流體的流速分布較復雜，入口處第一翅片周圍的流體流速變化劇烈，是典型的紊流狀態(tài)，翅片間流體流動緩慢，流速小，但已出現(xiàn)明顯的回旋運動，即所謂的有渦流動[10]，正是因為這種有渦流動的存在，增強了翅片管的對流換熱效率，并且使得翅片管外側不易結垢，起到一定的自除垢作用.在由翅片往邊界的徑向上，流速有以下變化特點：小→大→小.隨著流動的發(fā)展，沿管軸方向，翅片周圍的流體流速逐漸減小.

圖5 翅片管管外入口端流體矢量速度分布

3.3 溫度模擬結果

圖6所示為管內出口端管內外流體的溫度分布情況，由圖6可知，管外流體由于剛流入，溫度還很低，溫度基本上為初始溫度，翅片管的溫度也近乎等于管外流體的溫度.圖7為管內出口端流體沿管徑方向的溫度變化曲線，橫坐標表示在管徑方向上，距離管壁的距離長度，縱坐標表示對應的溫度.由圖6及圖7可以看出管內流體的溫度分布呈現(xiàn)如下特點：在徑向方向上，靠近管壁處流體溫度變化劇烈，越靠近管軸，溫度變化越緩慢，在軸向方向上，隨著流動的發(fā)展，流體的低溫區(qū)域越來越大，平均溫度逐漸降低.

圖6 翅片管管內出口端溫度分布示意圖

圖7 管內出口端流體沿管徑方向上溫度變化

4 實驗結果分析

4.1 正交模擬實驗的直觀分析

利用上述方法，可以分別得到各組實驗的管內流體出口平均溫度及管外壓降、速度等指標的數(shù)據[11]，表3示出了實驗方案及溫降的結果分析，表3中，因素A為翅片間距，取3種水平：1 mm、1.5 mm、2 mm，因素B為翅片厚度，分別取0.25 mm、0.3 mm、0.35 mm 3種水平，因素C為翅片高度，分別取0.8 mm、1.4 mm、2.0 mm 3種水平.

表3 實驗方案及結果分析

分析表3可以得出如下結論：對翅片管換熱效能影響最大的因素是A（翅片間距），次之是C（翅高），影響最小的是B（翅厚）.利用表3同樣能得到各因素與流體壓力、速度間的關系，據此可以將因素水平作為橫坐標，以它的試驗指標的平均值ki為縱坐標，得到因素與指標的關系圖——趨勢圖[3]，如圖8～圖10所示.

圖8 管內出口溫降隨各因素變化趨勢圖

圖9 管外壓降隨各因素變化趨勢圖

圖10 管外流體出口速度隨各因素變化趨勢圖

從圖8可以看出，翅片管管內流體的溫降受翅片間距的影響最大，翅片間距在1～2 mm范圍內，溫降隨翅距的增加而增大，翅距超過2 mm時，溫降隨翅距的增大而減小，（此實驗中溫降的大小代表翅片管換熱效能的高低）；流體溫降隨翅片厚度的增大而減小，隨翅片高度的增大而增大.由圖9可知，管外流體的壓降受翅片高度的影響最明顯，壓降隨翅高的增加而成倍數(shù)變大（此實驗壓降大小代表翅片管工作噪音大?。12]，翅片間距對壓降的影響有以下特點：翅距在1～2 mm范圍內，壓降隨之增大而增大，在2～2.5 mm壓降隨翅距的增大而減??；壓降基本不受翅片厚度的影響.管外流體出口流速受各因素的影響如圖10所示.翅片高度對出口流速的影響最明顯，與壓降類似，流速隨翅高的增大而迅速增大；翅片間距在1～2.5 mm范圍增大時，流速先是隨之減小，然后增大；翅片厚度同樣對流速也影響很小.

4.2 模擬結果分析

由文獻[13]可知：翅片間距增大，翅片管的換熱面積減小，使平均傳熱系數(shù)減小，即翅片管的換熱效能隨翅距的增大而減弱，這與本文的結論（即翅距在1～2 mm范圍時，翅片管的換熱效能隨翅距的增大而加強）相矛盾，查閱相關資料獲知，翅片周圍的流體存在邊界層，當翅片間距小于或等于兩倍邊界層厚度時，相鄰翅片間的流體近似處于靜止狀態(tài)，傳熱形式由對流傳熱變成了流體的導熱，那么就大大降低了傳熱效果[14-15].當翅距在1～2 mm變化時，翅距越大，翅片間流體流動趨于活躍，傳熱方式由導熱變成了對流傳熱，傳熱系數(shù)增大，當翅距超過2 mm時，管外傳熱方式固定為對流傳熱，換熱面積成為影響換熱效能的主要因素，翅距變大，單位長度翅片管的翅片換熱面積變小，換熱效能降低[16].

4.3 換熱特性實驗研究

為了驗證模擬結果的可靠性，本文還采取相應的熱交換器性能實驗的實驗數(shù)據作對比，實驗裝置示意圖見圖11.

圖11 冷凝器性能測試實驗裝置示意圖1.循環(huán)氣泵；2.轉子流量計；3.過冷器；4.冷凝器；5.實驗臺支架；6.吸入段；7.整流柵；8.冷凝前R22溫度；9.冷凝器前靜壓；10.U形差壓計；11.冷凝器后靜壓；12.冷凝后R22溫度；13.流量測試段劃內；14.笛形管；15.笛形管校正安裝孔；16.風量調節(jié)手輪；17.引風機；18.風機支架；19.傾斜管壓力計；20.控制測試儀表盤；21.氣箱.

對規(guī)格為內徑φ16 mm、管壁厚0.8 mm和長度100 mm的光管及文中模擬所用型號的翅片管（管長為100 mm），在相同入口溫度（冷流體283 K，熱流體314 K），相同入口流量（2.17 m3/h），相同流動形式（逆流）下通過上述實驗裝置獲得管內R22制冷劑的出口溫度，見表4.

表4 實驗和模擬結果

經計算，管內流體出口溫度的實驗值與模擬值之間的誤差，光管誤差為3.6%，翅片管的誤差在10%～15%范圍，造成誤差的原因可能是管內外流體有少許發(fā)生了液化相變及生成有限元模型時，網格劃分的不夠精確.分析表4的實驗值可以進一步確認翅片管較光管有更好的強化傳熱效果，且翅片管的結構參數(shù)對其換熱效果有明顯的影響.

5 結 論

（1）管內外流體初始條件相同的情況下，翅片管的換熱性能優(yōu)于光管，以實驗中A3B2C3規(guī)格的翅片管為例，在100 mm流程內，其管內流體的出口溫降較之光管相對提高0.96 K.

（2）管內外流體的流動：管內流體流動規(guī)律簡單，翅片管管外流體流動情況比光管的復雜的多，翅片高度對流體的流動影響顯著，其次是翅片間距.

（3）翅片間距對翅片管換熱性能影響明顯，在1～2 mm范圍內，翅距越大，換熱性能越強；翅片高度越大，換熱效果越好，但壓降也隨之成倍數(shù)增長，翅片厚度越小，換熱越好，綜合換熱與壓降兩方面，得到最優(yōu)化方案為A3B1C2，即翅片間距為2 mm，翅片厚度為0.25 mm，翅片高度為1.4 mm.

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