王云雷 楊心慰 劉博濤 時 穎

(1.河北建筑工程學院能源與環(huán)境工程學院;2.河北建筑工程學院經濟與管理學院,河北 張家口 075000)

非對稱翅片管換熱器的實驗及流場分析

王云雷1楊心慰1劉博濤1時 穎2

(1.河北建筑工程學院能源與環(huán)境工程學院;2.河北建筑工程學院經濟與管理學院,河北 張家口 075000)

提出設計一種新型非對稱翅片管式換熱器，通過對非對稱式翅片管不同工況進行實驗，研究其傳熱過程和傳熱效果.通過對傳熱系數(shù)的計算，比較其與環(huán)狀翅片管管束和光管管束的傳熱性能.并且利用ANSYS對三種換熱器進行數(shù)值模擬，分析其流場.結果表明：非對稱翅片管對流體的擾動要強于環(huán)狀翅片管和光管，在相同參數(shù)條件下，非對稱翅片管換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管和光管式換熱器.

非對稱翅片管；換熱效果;流場分析

0 引 言

翅片管式換熱器在動力、化工、制冷等工業(yè)中有廣泛的應用[1]，用翅片擴大換熱管表面積和促進介質的紊流，從而提高傳熱效率，直至目前這一方法仍是所有各種管式表面強化傳熱方法中運用最為廣泛的一種.幾十年來，人們在改進翅片形狀、管束排列方式等方面進行了大量研究[2-10].

按翅片表面形式的分布，換熱器可分為對稱翅片和非對稱翅片.非對稱翅片主要包括管中心距翅片兩邊距離不相等的非對稱翅片和開縫形式非對稱的翅片[11].目前，關于開縫式非對稱翅片管換熱性能的數(shù)值模擬的研究有一些[12-14]，但是對管中心距翅片兩邊距離不相等的非對稱翅片的研究卻不是很多，這種非對稱翅片符合上述強化傳熱的方法.因此，本文設計了一種設計非對稱翅片管換熱器，對其進行實驗并且通過數(shù)值模擬分析其流場，研究其強化傳熱.

1 換熱器實驗設計[15]

1.1 換熱器設計

本文設計的非對稱翅片的形狀和管束排布如圖1、2和3，箭頭方向為氣體來流方向.

圖1 非對稱翅片形狀及尺寸圖2 非對稱翅片管束排布 圖3 非對稱翅片管束排布尺寸

11根鑄鐵材料的翅片管錯列分布，第一層和第三層各有4根管子，中間一層3根管子，中間層的管束與上下兩層錯列布置，并且其翅片與上下兩層的翅片叉排布置，組成換熱器.每層管束之間用連箱連接，并聯(lián)在一起.熱水由一側進入，由三根管子分別進入三層管束，從另一側流出匯集到一起返回水箱.

在翅片頂端及根部布置測點，并且用K型熱電偶對測點、換熱器水側和空氣側進出口進行溫度測量，并且為確保準確性，多次測量求得平均值.

對流換熱系數(shù)采用計算式：

h=φ/AΔt

(1)

式中：φ——換熱量；A——換熱面積；Δt——傳熱溫差.

實驗流程：水在水箱中經過加熱，通過水泵進入換熱器的管束中，風機直吹換熱器表面，翅片延伸方向迎著來流空氣，空氣與翅片和水形成強制對流換熱，水從換熱器出口流出，流回水箱.

圖4 實驗流程圖

工況1工況2工況3工況4水進口溫度/℃54626464風速/m/s3.683.683.681.64

表2 實驗結果

1.2 實驗結果

本實驗做了一下4種工況：

以非對稱翅片管換熱器翅片管總表面積A(A=0.881m2)為基準求得對流換熱系數(shù)ht，以光管外表面積As(As=0.414 7m2)為基準求得對流換熱系數(shù)hs，如表2.

為了對比，根據(jù)參考文獻[16]和[17]中推薦的公式分別對相同參數(shù)條件下的光管管束和環(huán)形翅片管管束的換熱系數(shù)進行理論計算.由于文獻中所給公式是在最佳條件下所得，因此理論計算光管和環(huán)形翅片管束的對流換熱系數(shù)要優(yōu)于對其進行實驗所得的結果.對比結果如下：

1)相同參數(shù)條件下，非對稱翅片管換熱效果優(yōu)于光管管束.

圖5 傳熱系數(shù)對比圖

2)相同參數(shù)條件下，非對稱翅片管換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管束.

圖6 傳熱系數(shù)對比圖

2 流場分析

2.1 流體模型

為了更好地進行理論分析，選取了所有管子的一段，利用ANSYS進行數(shù)值模擬，對其進行流場分析，其中上下兩排帶兩個翅片，中間一排載有一個翅片.如圖7.

流體模型為長方體：x:-0.17～0.07m;y:-0.21～0.07m;z:-0.001～0.029m布爾運算Substract減去中間的翅片管模型，得到流體模型，如圖8.

圖7a側視圖 圖7b主視圖

由于非對稱肋片的不規(guī)則形狀，因此采用自由網格free的劃分形式.網格結果如圖9.

2.2 結果分析

為了更好的進行分析，相同條件下，對環(huán)狀翅片管以及光管換熱器也進行了數(shù)值模擬.

1)與環(huán)狀翅片管進行對比.

對風速3.68m/s情況流場進行模擬，z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度云圖如下：

圖8 流體模型 圖9 網格劃分

圖10a非對稱翅片速度云圖 圖10b環(huán)狀翅片速度云圖

由圖10可以看出，環(huán)狀翅片管束的藍色部分速度很小、接近為零的尾流區(qū)比非對稱翅片管束的多，說明環(huán)狀翅片管束中，低速旋渦區(qū)中的尾跡流與分流束之間的混合沒有非對稱翅片管強，從而更加影響換熱效果，進而證明了非對稱翅片管的換熱優(yōu)于環(huán)狀翅片管.

z=0.001m(翅片所在截面)截面的速度云圖如下：

圖11a非對稱翅片管速度云圖圖11b環(huán)形翅片管速度云圖

由以上兩圖可知，在翅片所在平面，環(huán)形翅片管束中速度變化較小，而非對稱翅片管束中速度變化相對劇烈，擾動更強，可以加強換熱效果.

2)與光管管束對比.

在風速為3.68m/s條件下，對光管管束進行流場模擬，其結構尺寸與非對稱翅片管束相同.z=0.006m(非翅片所在截面)截面的速度矢量圖如下：

圖12a非對稱翅片管速度矢量圖 圖12b光管管束速度矢量圖

z=0.001m(翅片所在截面)截面時的速度矢量圖如下：

圖13a非對稱翅片管速度矢量圖 圖13b光管管束速度矢量圖

由以上四圖可以看出，在z=0.006m截面時，二者的尾流區(qū)大致相同，而在z=0.001m時，非對稱翅片管束的尾流區(qū)減小，而且非對稱翅片管束中的速度變化較大，最高速度達到12.16m/s，光管管束速度變化則相對較小，最大速度為7.1m/s.因此，在非對稱翅片管束中，流體的擾動要強于光管管束，換熱較好.

3 結 論

1)實驗證明了在一定條件下，非對稱翅片管式換熱器的換熱效果優(yōu)于環(huán)狀翅片管以及普通光管式換熱器.

2)通過進行數(shù)值模擬，對所設計的換熱器進行流場分析，從理論上證明了在非對稱翅片管換熱器中，流體的擾動效果較好，證明了該種換熱器的優(yōu)越性.

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The Experiment and Analysis of Flow Field on Asymmetrical Finned Tube

WANGYun-lei1，YANGXin-wei1，LIUBo-tao1，SHIYing2

(1.School of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Architecture;2.College of Economic and Management,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 07500)

In this paper,a new kind of asymmetrical finned tube heat exchanger is introduced.The heat-transferring process and effect of asymmetrical finned tube in four working conditions are studied by experiment.Its heat-transferring performance is compared with ring-fin tube and smooth tube through the calculation of the heat-transferring coefficient.The three kinds of heat exchanger are simulated by using ANSYS and their flow field is analyzed.The results show that the flow disturbance of asymmetrical finned tube is stronger than ring-fin tube and smooth tube,and the heat-transferring effect of asymmetrical finned tube is better than the other two in the same parameters.

asymmetrical finned tube;heat-transferring effect;flow field

2016-05-20

王云雷(1990-)，女，熱能工程.

TU 83

A