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纵向翅片扁管换热器的结构及其优化点击：1747 日期：[ 2014-04-26 21:35:46 ] |
| 纵向翅片扁管换热器的结构及其优化 顾平道,胡亚娟,汤国芳 (东华大学,上海201620) 摘要:通过建立数值优化模型,对纵向翅片扁管换热器进行结构优化,得到了翅片长度、翅片间距及翅片高度对换热器热阻及空气侧对流换热系数的影响,同时还研究了不同热源温度、不同风速时换热器的优化结构,为工程应用提供了参考。 关键词:纵向翅片;扁管;换热器;结构优化 1·引言 新型高效换热器的开发和制造技术一直是能源利用领域研究的热点,它直接关系到化工、电力、石化等行业的能源利用率。纵向翅片扁管换热器作为一种新型的换热器,如图1所示： 与管壳式圆管换热器相比有以下优点: (1)结构中纵向矩形翅片围绕扁管直边段并沿换热器的纵向平行分布,气体沿扁管轴向方向,即翅片同向流动,且与管内介质的流动路径平行,可强化传热、减少气侧阻力、不易积灰结垢、维护方便[1]; (2)以扁管代替普通换热器中圆形截面换热管,其壁厚相对比较薄;同样换热面积,用材较少,从而使产品价格大大降低; (3)管壁厚的减薄削弱了传热时的热阻,使传热系数得以增大,从而使其传热和热阻的综合性能指标高于圆管[2]。 2·换热器数值优化模型建立及优化步骤 翅片管具有对称性,所以只需对管外一侧的翅片结构进行计算,其结构参数有:基管宽度200mm,翅片高度20 mm,翅片厚度0. 2 mm,翅片间距2. 0 mm,翅片90个。本文对管长分别为400mm和600 mm两种结构进行优化和对比分析。物性参数:环境温度取25℃,热源取恒定温度为50℃,定性温度取热源和环境温度的平均值;翅片材料的导热系数:λ=236W /(m·k)。在Qfin软件中建立模型如图2所示。 在Qfin优化中采用的边界条件是等壁温通道,热阻R用散热器和冷却流体之间的最大温差(Tf,o-Tf, i)除以热源功率Q定义[3]: 式中,Q为热源功率,W;m为通过通道流体的质量流量, kg/s;h为对流换热表面传热系数,W /(m2·K);Ag为换热表面积,m2;Tf,o为通道出口处流体的温度,K;Tf, i为通道进口处流体的温度,K。 对换热器进行优化设计时,在估计一个参数对换热性能的影响时必须要考虑到其它参数的影响。换热器的优化问题属于有约束的多变量优化问题,本文利用Qfin软件以空气侧的换热热阻最小为目标函数对翅片结构进行优化。对优化目标函数(空气侧的热阻)的求解,文中所采用的优化方法是借鉴成熟的平行通道流动、传热经验和理论公式来简化和加快求解速度的方法。其具体优化步骤如图3示: 3·换热器结构优化设计 考虑到换热器结构优化的多变量问题,对翅间距和翅片高度的优化方案有两种:单独优化和综合优化。现对长400 mm翅片结构在风速为2m/s时的优化过程进行介绍。 3. 1翅片间距和翅片高度单独优化及分析 优化的方法:先以翅片个数作为优化变量(确定较优的翅片个数,基管的宽度不变,也就是确定了翅间距),在此基础上再以高度作为优化变量,进行结构优化。 (1)模型①:优化目标:热阻最小;优化变量:翅片个数n(45~110个);约束条件:翅间距小于等于5. 0 mm,压降小于等于43. 0 Pa;监视参数:平均对流换热系数。然后进行优化处理,其迭代过程见表1。 由表1可以看出,随着翅片个数的减小,平均对流换热系数逐渐增加,热阻逐渐减小;而且翅片个数对平均对流换热系数的影响较大而对热阻的影响相对弱些。从表中可以确定较优的翅片个数为70个,因为基管的宽度不变,也就是确定了翅间距,即2. 7 mm。 (2)优化模型②:在优化①的基础上,即翅片间距为2. 7 mm时的优化模型:优化目标:热阻最小;优化变量:翅片高度(15 mm~25 mm);约束条件:压降小于等于43. 0 Pa;监视参数:平均对流换热系数。其迭代过程见表2。 从表2中可以看出,平均对流换热系数随着翅片高度的增加而增加,热阻随着翅片高度的增加而减少,但高度过大,翅片沿高度方向温度逐渐降低,与周围流体的温差越来越小,应用翅片效率[4]这一概念使其控制在一定范围内。翅片高度对热阻的影响程度高于对平均对流换热系数的影响,这与翅片间距的影响作用正好相反,而且由于翅高增大使通道过流断面面积增大,流动阻力损失减小,所以随着翅片高度的增加压降有下降的趋势。从表中可以得到最优的翅片高度为25mm。 综合考虑热阻、压降、平均对流换热系数,从模型①、②的优化过程可以看出翅片个数为70、间距为2.7mm、高度为25mm时的翅片结构较优。 3. 2 翅片间距和翅片高度综合优化及分析 方案二是同时将翅片个数和翅片高度作为优化变量,优化参数设置为:优化目标:热阻最小;优化变量:翅片数n(50~100个),翅片高度(15 mm~25 mm);约束条件:翅间距小于等于5. 0 mm;监视参数:平均对流换热系数,压降。 由表3可以看出,在翅片个数小于等于70时,随着翅片个数和翅片高度的增加,热阻逐渐减小,平均对流换热系数逐渐增大;当翅片个数大于70,高度为25 mm时,随着翅片个数的增加,热阻保持不变,而平均对流换热系数逐渐降低,这说明翅片个数为70时,散热量已达到饱和,热阻不再随着翅片个数的增加而减小,根据热阻与平均对流换热系数之间的对应关系(h=1/r/A)可知,翅片个数增加使换热面增大,热阻不变,平均对流换热系数随着翅片个数的增加而减小。优化过程中,翅片个数大于70后,高度对热阻的大小起决定作用,高度减小就会引起热阻的增大,而平均对流换热系数几乎不变。 从两种优化方案看,翅片数的优化与翅片高度无关,所以方案一(先对翅片数优化,在其优化的基础上对高度优化)是合理的。从翅间距、翅高度对换热性能的影响上看,方案一较方案二更直观;从优化过程和结果来看,方案二更方便快捷。 4·基于不同参数换热器结构优化及分析 4. 1 不同热源温度时换热器结构优化 以上优化方案的热源都是50℃恒温热源,考虑到实际应用中热流体温度的多样性,需讨论热源对换热器结构优化的影响,本文以50℃恒温热源下的原翅片最优结构为例,改变热源温度,在进口风速为2m/s下对结构进行优化,优化的结果见表4。从表中看出,热源温度的变化对翅片结构的优化结果没有影响,且热阻不变,但随着热源温度的增大,平均对流换热系数和压降有所增加,这是因为热源温度的增加导致空气通道中速度的加大。 4. 2 不同风速时换热器结构优化及性能比较 不同风速对应不同的较优翅片结构,在实际应用中,应根据所要求的风速,选择相应的翅片结构。其它特定速度下翅片结构的优化结果见表5。表中“结构1”表示400 mm长翅片结构;“结构2”表示600 mm长翅片结构。 表5中的数据为纵向翅片扁管在工程上应用提供了参考。从表中可以看出,在翅片长度一定的情况下,速度越大,翅片个数越多,即间距越小。翅片长度越短要求的翅间距越小。在高度方面,每种速度下的优化结果都为高度范围内的最大值。 图4为在不同速度下换热器结构优化前后性能的比较, 400 mm长的翅片管经过结构优化后,风速为2 m/s、6 m/s时平均对流换热系数分别提高11. 2%和9. 2%,风速为3 m/s和4 m/s时优化后平均对流换热系数提高很少,此时优化的结构接近原结构。风速大于4 m/s时,随着速度的增加,较优结构平均对流换热系数提高得越多。600 mm长的翅片管,风速为5 m/s时,优化后的翅片结构与原翅片结构接近。在风速小于5m/s时,随着风速的增加,较优翅片结构平均对流换热系数提高得越少,风速大于5 m/s时,随着风速的增加,原翅片结构优化的空间逐渐增大。 5·结论 用翅片扁管换热器管代替管壳式圆管换热器,可以克服管壳式圆管换热器容易积灰堵塞、清灰困难、生产成本高、热阻大等缺点,进一步提高了换热效率。本文在对其进行结构优化的过程中可以得到以下结论: (1)换热器平均对流换热系数随着翅片间距的减少而增加,随着翅片高度的增加而增加;热阻随着翅片间距的减少而减小,随着翅片高度的增加而减少,但高度过大,翅片沿高度方向温度逐渐降低,与周围流体的温差越来越小。从两种优化方案看,翅片间距的优化与翅片高度无关。(2)热源温度的变化对换热器结构的优化没有影响,且热阻不变,但随着热源温度的增大,平均对流换热系数和压降有所增加。(3)不同速度时,在翅片长度一定的情况下,速度越大,间距越小;翅片长度越短,翅间距越小;在高度方面,每种速度下的优化结果都为高度范围内的最大值。 参考文献 [1]李向群.纵向翅片管在热管换热器中的应用[J].现代节能, 1992(2): 11-13. [2]王泽武.扁管管内传热性能实验研究[J].武汉化工学院学报, 2003, 25(4): 71-74. [3] Incropera F P, DeW ittD P. Fundamentals of heat andmass transfer [M]. New York: W iley, 1990. [4]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001: 43-45. |
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