鄔志偉 向立平,2 林 峰

(1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007； 2.湖南科技大學(xué)煤礦完全開采技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

提高換熱器換熱效率的關(guān)鍵是降低換熱器空氣側(cè)熱阻，為了強(qiáng)化空氣側(cè)傳熱，許多學(xué)者對翅片位置、基管類型、翅片間距等進(jìn)行了大量的研究[1]。J.Wanga等對翅片形狀為矩形的換熱器換熱能力進(jìn)行實驗分析，研究發(fā)現(xiàn)換熱器的換熱能力與壓降有關(guān)[2]。Aytune Erek等利用Fluent軟件對不同翅片形狀的翅片管換熱器的傳熱和阻力特性研究，換熱器的換熱性能隨換熱器長短軸比增大而增加，換熱器阻力特性隨長短軸比增大而減小[3]。何海江等對翅片管換熱器換熱特性進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)換熱器空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降特性隨空氣速度的變化規(guī)律[4]?；谝陨涎芯浚诙竟r下，對閉式能源塔的平直翅片換熱器進(jìn)行研究，分析不同送風(fēng)溫度、送風(fēng)速度和翅片間距對換熱器換熱特性的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

基管為錯排布置，管排數(shù)為3排，每排基管數(shù)為4。基管為銅管，基管內(nèi)流體是質(zhì)量濃度10%的CaCl2溶液，管道外流體為空氣。翅片材料為鋁，閉式能源塔平直翅片管換熱器的尺寸和參數(shù)見表1。

表1 翅片管換熱器的幾何參數(shù) mm

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了計算方便，對平直翅片管換熱器的物理模型作出如下假設(shè)[5-7]:

1)忽略翅片輻射傳熱和翅片管的污垢熱阻的影響；

2)換熱器基管與翅片的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，忽略基管軸向?qū)釋鳠岬挠绊懸约盎苤g的熱影響；

3)翅片的導(dǎo)熱是均勻的，不考慮翅片厚度方向的溫度變化；

4)換熱器流場內(nèi)空氣為不可壓縮的理想氣體。

數(shù)學(xué)模型的各微分方程如下[7,8]：

YAN Lei, ZHANG Jian-quan, CHEN Hong-qiong, WU Zhen-zhong

1)質(zhì)量守恒方程。

div(ρU)=0

(1)

2)動量守恒方程。

u-動量方程：

(2)

v-動量方程：

(3)

z-動量方程：

(4)

其中，p為流體的微元上的壓力；fx,fy和fz均為微元體上的體積力；μeff為流體的有效粘度。

3)能量守恒方程。

(5)

1.3 湍流模型的選擇

選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程模型，主要優(yōu)點：形式簡單、計算精度高、實用性強(qiáng)[8,9]。在翅片表面近壁面區(qū)域，流場空氣速度變化梯度大，分子粘性影響比較大[9]。因此，在翅片表面近壁面區(qū)，選擇壁面函數(shù)法，可對標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型進(jìn)行有效的補(bǔ)充[7,11]。基于以上情況，采用壁面函數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型相結(jié)合的方法對物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.4 邊界條件

1)邊界條件。

換熱器翅片進(jìn)口和基管進(jìn)口的邊界條件為速度入口，k值為0.052 6 m2/s2，ε值為0.005 67 m2/s2；換熱器翅片空氣出口為壓力出口。

2)各種算例的參數(shù)設(shè)置見表2[5,9]。

表2 各種算例的參數(shù)設(shè)置

2 閉式能源塔的實驗測試

2.1 實驗系統(tǒng)

如圖1所示，能源塔的結(jié)構(gòu)尺寸：2 230 mm×1 206 mm×2 596 mm，對換熱器進(jìn)行實驗測量的儀器及精度見表3[11]。

表3 測試儀器及精度

儀器名稱型號測量范圍精度溫濕度儀Testo 175H1-20 ℃～55 ℃±0.4 ℃紅外測溫儀Testo 810-30 ℃～300 ℃±0.1 ℃手持式風(fēng)速儀TSI83470 m/s～30 m/s±0.01 m/s壓差傳感器C2680 Pa～1 000 Pa±0.4% FS

2.2 測量數(shù)據(jù)

在進(jìn)口風(fēng)速為4.5 m/s，溶液流量為3.5 m3/h工況條件下測試的數(shù)據(jù)見表4。

表4 實驗測量的數(shù)據(jù)

3 分析與討論

3.1 換熱性能隨進(jìn)風(fēng)速度的影響

在Case1工況下，風(fēng)速對換熱器換熱影響的變化曲線見圖2，圖3。

進(jìn)風(fēng)速度增大，壓降、Nu和換熱系數(shù)隨進(jìn)口風(fēng)速增大而增大，換熱器隨進(jìn)風(fēng)速度增大的幅度較小。當(dāng)翅片進(jìn)口空氣風(fēng)速大于4.5 m/s時，換熱系數(shù)和Nu隨著進(jìn)口空氣速度的增加的趨勢變緩。

換熱器平直翅片表面對空氣的阻力隨進(jìn)口空氣速度增加而減小，風(fēng)速增加到4.5 m/s時，換熱器翅片的阻力系數(shù)減小的速度變慢。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的摩擦因子在7%以內(nèi)，說明軟件模擬的結(jié)果比較好。

3.2 換熱性能隨翅片間距的影響

在Case2工況下，翅片間距對換熱器換熱影響的變化曲線見圖4，圖5。

換熱系數(shù)、壓降和Nu隨翅片間距增加而減小，換熱系數(shù)減小的幅度較大。翅片間距的增加，使得換熱系數(shù)和Nu降低，翅片間距增大，翅片數(shù)減少，空氣側(cè)流通摩擦面積降低，空氣流過基管的擾動減弱，進(jìn)而降低換熱系數(shù)和Nu,使換熱性能降低。

在翅片間距較小時，換熱器平直翅片摩擦因子較大，隨著間距增大，摩擦因子降低。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的摩擦因子相差不到5%，用CFD對換熱器物理模型模擬的可靠性較高。

3.3 換熱性能隨進(jìn)風(fēng)溫度的影響

在Case3工況下，進(jìn)風(fēng)溫度對換熱器換熱影響的變化曲線見圖6，圖7。

換熱器換熱系數(shù)和Nu隨著進(jìn)口空氣溫度增加而先增后減，適當(dāng)提高進(jìn)風(fēng)溫度，有利于提高換熱系數(shù)和Nu。換熱器翅片進(jìn)風(fēng)溫度越高，翅片管換熱器換熱能力越強(qiáng)。壓降隨進(jìn)風(fēng)溫度增大而增大，閉式能源塔系統(tǒng)浪費的機(jī)械能增加。

進(jìn)口空氣溫度升高，換熱器翅片表面的摩擦因子隨之增大。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的摩擦因子相差在5%以內(nèi)，模擬計算準(zhǔn)確性比較高。

4 結(jié)語

1)平直翅片管的換熱能力隨進(jìn)口空氣速度的增大而先增后減。進(jìn)口空氣速度越大，壓降也就越大，系統(tǒng)損失的能量也越多。進(jìn)口風(fēng)速越大，摩擦因子反而越小。2)隨著翅片間距的增大，閉式能源塔系統(tǒng)的換熱器換熱性能降低。當(dāng)翅片間距很小時，翅片的摩擦因子比較大，當(dāng)翅片的摩擦因子越小，翅片的阻力特性降低。所以選擇合適的間距，使得閉式能源塔平直翅片管換熱器的換熱能力大幅度提升。3)進(jìn)風(fēng)溫度越高，換熱性能先增后減，壓降一直在增加，摩擦因子也一直增加，系統(tǒng)損失的機(jī)械能也加大。實驗值與模型預(yù)測值吻合比較好，模擬計算可靠性比較高。