管间距对翅片管换热器热力性能的影响

点击：2330 日期：[ 2014-04-26 21:58:08 ]

管间距对翅片管换热器热力性能的影响谭月普欧阳新萍 (上海理工大学制冷技术研究所,上海200093) 摘要:分析了翅片管换热器传热及流动阻力性能的影响因素;叙述了场协同理论的基本机理,并与等流速排列方式联系起来加以分析讨论;概述了翅片管换热器研究中管间距对传热及流动阻力影响的国内外研究现状;讨论了不同翅片及基管类型结构尺寸下管间距对换热器传热及流动阻力影响的规律。在此基础上,对管束排列的研究前景进行了展望。关键词:热工学;管间距;综述;场协同;翅片管 1　前言翅片管式换热器广泛应用于制冷、空调、石油、化工等工业领域。多年以来,对翅片管换热器热力性能的研究主要集中在强化传热方面,强调采用各种措施来较大限度地增强换热能力,但是却忽略了在增强换热能力的同时有用功耗增大幅度可能会更大的不足。 1998年,清华大学过增元院士及其合作者[1] 利用能量方程在热边界层内积分对边界层的流动特性进行了研究,发现减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施。同时他们又结合影响翅片管热力性能的主要结构参数: 翅片类型、翅片间距、管排数、管径和管间距等,认为管间距是影响速度矢量和温度梯度之间夹角的重要因素。许文[2]一书也叙述了管间距与换热器整体性能之间的关系,并且陈述了一种等流速排列的概念,即通过调整管间距来使管间流通截面积相等,认为等流速排列避免了流体周期性的加速和减速,因而可以减少能量损失,实现节能。由此看来管间距对翅片管换热器的性能影响是比较大的,因此对其研究有着重要意义。为了寻找经济有效的管束排列方式,也为了便于以后在新理论指导下进行更为深入的研究,本文针对管间距对翅片管换热器性能影响的国内外研究进展做了分析和概述。 2　管间距对翅片管换热器性能影响国内研究成果的分析 1985年,马义伟和杨泽茂[3]对翅片管式空冷器的几个设计参数进行了优化,认为随着Pt和相邻管排对角线上管间距的增大,换热系数是降低的。由于他们只把当时的动力费用作为目标函数对管束进行了优化,而且主要考虑如何优化各类参数以增强传热性能,并没有充分考虑换热增强的同时阻力损失可能也会明显的增大这种情况, 所以其研究具有一定的局限性。 1991年,高青等[4]研究了结构如图1所示翅片叉排管束的传热和阻力特性,将较大Pt的翅片管束与光管管束对比,发现换热系数增加了9~ 12. 5%,阻力系数降低了15~65%,同时又指出 Pt较大时流动阻力较低。通常,在管间距相同的情况下,翅片管束换热强于光管,但流动阻力却高于光管,所以作者把Pt增大,使得在较大管间距翅片管束在换热得到强化的同时也减小了流动阻力。可见管间距的合理排布可以使得换热小幅减小的同时阻力大幅减低。 1997年,伍成波[5]对高温换热器的烟气侧传热特性分析研究中指出,管间距对烟气侧传热及阻力有较大影响,同时得出换热器中合理的管间距为:Pt/do≥2.0,Pl/do≥1.5。在Pt/do=2.0, Pl/do=1. 5时,管束为非传统的正三角形排列,这种排列方式接近与前言中叙述的等流速排列方式,即通过调整管间距来改变管间截面积,使得气流流过管中心连线的截面时,速度近似相等,这样就避免了因气流的加速和减速而造成流动过程中的阻力损失增大的状况。 2002年,卢智利等[6]研究了3种管子、4种管排、10种管间距的叉排平直翅片管换热器的换热特性,得到表1所示的换热综合关联式,从表中的关联式中也可以看到,Pt对传热的影响大于Pl。同年,孙奉仲等[7]对镍基渗层纵向翅片管进行了传热试验研究。通过研究发现:随着横向和纵向管间距增加,换热都呈现出减弱的态势,但对于纵向管间距而言,当纵向管间距增加到一定程度时, 对换热的影响又会逐渐减弱;在横向和纵向管间距增大的同时,流动阻力也会随之减小。这是由于减小Pt和Pl也就间接使得管间流通截面减小, 增强了速度扰动,从而有利于增强换热,反之就会使得扰动减弱,换热能力降低;增大Pt和Pl,还可以减少管排和管列之间的脉动影响,从而利于各独立流束的充分发展,也就大大减少了流动阻力。 2005年,李志敏等[8]分别对10组不同管间距的叉排螺旋翅片管管束进行试验。实验结果表明:增加Pt可以减小流阻,但换热效果也会减弱, 所以在减小流阻和增强换热之间肯定存在一个最佳值,他们利用MATLAB求解,得出了螺旋翅片管束结构优化结果: 5×103<Re<3×104时,Pt/ do=2.929,Pl/do=2.321。总体来说,这种排列与传统的正三角形排列是有区别的,它更接近于前言叙述的等流速排列方式。相对与正三角形排列来说,作者把Pt增大,Pl缩小,这样虽然减小了气流扰动从而减弱了换热效果,但同时也大大减小了流动阻力,得到换热与流动阻力的更佳综合性能。 2008年,吕玉坤等[9]利用FLUENT软件对气流横向冲刷叉排翅片管束进行模拟,指出Pt和Pl 越小换热性能越好,流动阻力越大,但是阻力的变化幅度不大。计算得到省煤器处烟气流速分别为 7m/s, 8m/s, 9m/s, 10m/s, 11m/s, 12m/s时,Pt/Pl 最优化值分别为: 2. 97, 2. 26, 1. 81, 1. 68, 1. 22, 1. 07。在进行翅片管束的研究中,采用某些措施虽然使得换热效果得到了增强,但是可能会使得流动阻力增加的幅度更大,从而得不偿失。因此, 我们可以从另一角度来对翅片管进行研究,即如果在减弱传热的同时,能使得流动阻力显著降低, 也就是使阻力降低的幅度比传热降低的幅度更大,这样也会有助于提高换热器的整体效能。 3　管间距对翅片管换热器性能影响国外研究成果的分析 1981年,Senshu等[10]对管间距影响下的翅片管性能进行了研究,实验指出随着Pt的增大和Pl 的减小,换热系数都呈现出减小的趋势,但总的来说管间距对换热系数的影响很小,几乎可以忽略。 1986年,Merker和Hanke[11]对拥有不同纵向管间距叉排椭圆管管束的传热和压力分布进行了测量,并且对得到的传热系数与计算值又进行了比较。该项研究得到的Pt/Pl(1.34)不同于传统的正三角形排列方式(Pt/Pl约1. 15),接近于等流速排列方式。与正三角形排列方式相比,横向管间距增加,纵向管间距减小,使得换热和流动综合性能更好。 1998年,Hiroyuki[12]对顺排椭圆管管束进行了数值模拟,其中分析了管间距对传热和流动特性的影响。结果发现:Pl增加导致传热增强,压损增大;Pt增加使得压损降低,传热减弱,特别是压损降低得尤为明显。Pl/do为1.5和Pt/do为 3.0时,平均Nu会达到最大。 2003年,He等[13]研究了空气横掠翅片管束的传热特性。管间距变化范围:Pt/do=1.78—4 0,Pl/do=1.11—3.33,计算速度矢量和温度梯度之间的夹角θ发现: (1)管束的Nu数随Pt/do和Pl/do 的增加而减小; (2)速度矢量和温度梯度的夹角随 Pt/do和Pl/do增加而减小; (3)由于Pt/do增加提高了场协同程度,随着Pt/do的增加Nu数降低幅度很小。Pt/do和Pl/do的增加,导致了气流扰动和换热效果的减弱,但是同时也减小了速度矢量和温度梯度之间的夹角,使速度场和温度场的协同得到了提高。因此虽然换热减弱,但是流动性能却得到了优化,这样就使得换热器整体性能得到了提高。 2005年,He等[14]对如图2所示的平直翅片管换热器层流传热和流体流动特性进行了三维数值模拟。其从场协同原则的角度对数值结果进行了分析,场协同原则指出降低流体速度和温度梯度之间的夹角是提高对流传热的基本机制,夹角的计算公式如下: 研究结果发现,Re、翅片间距、管排数、Pt和Pl 等参数对翅片管管束传热特性的影响可以由场协同原则等相关理论来做出合理的解释:掠过翅片管管束的对流传热特性与速度和流体温度梯度之间夹角的变化有着紧密的联系,增加Pt或减小Pl都利于温度和速度场的协同;随着Pt/do和Pl/do的增加,换热增强,并且Pt/do影响的要稍大一些。结合该项研究,把上文提到的等流速排列方式与场协同理论联系起来发现:等流速排列方式是通过调整管间距来使管间流通截面积达到相等,从而使得气流流过管间截面时流速近似相等,避免了流体周期性的加速和减速,使得速度矢量与温度梯度夹角减小,速度场与温度场更加协同,这样虽然使得换热得到了一定程度的减弱,但能量损失减少得的幅度更大,因而换热器的整体效能便得到了提高。 4　结语及展望 (1)到目前为止,管束管间距排列对翅片管换热器性能影响的研究已经有了一定基础,但由于试验条件的限制,大多数研究者的试验范围较窄,由于管束尺寸结构不连续,关联式的拟合多少还存在着缺陷,试验方法和数据处理方法的差异, 以及不同的翅片及基管类型等因素导致了其所得关联式和结论在实际工程应用中受到限制,因此, 需要对管束排列做进一步研究。 (2)由于翅片管型式的多样性,还没有形成统一的对比标准,所以还很难形成大家比较认同的统一结论,这一点从以上国内外研究现状中就可以看出。对于管间距对翅片管换热器性能的影响,不同的基管、翅片型式、排列方式和结构尺寸参数所得到的试验结论还难以做到统一。 (3)等流速排列方式是通过调整管间距来实现气流流过管间截面速度近似相等,与常规的正三角形排列方式相比,其纵向管间距与横向管间距之比较小。由于这种新型排列方式减小了速度脉动,从而流动阻力降低明显。另外,该排列方式具有较好的速度场和温度场协同性,对提高换热器整体性能有重要意义。但是考虑到流过管束时气流物性的变化和流态的复杂性,要想得到确切优化管束排列参数,还需要对等流速排列方式做进一步理论和试验的研究。 (4)等流速排列方式等优化的管束排列结构可实现满足一定换热要求下的低流动阻力特征, 可节约能量,有着重要的应用场合。比如电站的直接空冷系统的空冷器(为了节省风机的运行功率,要求翅片管空冷器的风阻较小)、用于汽车或飞机空气动力性能试验的大型风洞试验系统中的翅片管换热器(用于加热或冷却空气,由于与试验件串联,必须限制风阻)等等。总之,在节能减排的大环境下,管束优化排列的研究将会得到越来越多的重视。进一步的管束排列研究,可以将其与最新的传热和流动理论(如场协同原理、等流速概念等)结合起来进行,找出各种翅片、基管型式下最佳的管间距排列,进而优化翅片管换热器的设计,提高换热器的整体性能。参考文献 [1] Guo Z Y,LiD Y,Wang B X. 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