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翅片长度对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响点击：2037 日期：[ 2014-04-26 22:51:19 ] |
| 翅片长度对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响 陈俊华1,陶丽2, 3,顾平道3,汤国芳3 (1.常州工程职业技术学院机械工程技术系,常州213164;2.常州大学机械与能源工程学院,常州213016; 3.东华大学环境科学与工程学院,上海201620) 摘要：纵向翅片扁管换热器是一种新型换热器。气体沿扁管轴向方向流动,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。利用数值模拟方法,以纵向翅片扁管换热器为研究对象,分析翅片长度对换热性能的影响,对换热器的翅片长度进行优化。研究表明,不同进口风速对应不同的有效纵向翅片长度。随着进口风速的增大,翅片的有效长度越大。 关键词：纵向翅片;翅片长度;扁管;换热器;数值模拟 1 引言 换热设备广泛应用于现代企业生产中,是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备,紧凑、高效、新型换热器是目前换热器研究的主要方向。一种新型、紧凑、高效换热器———纵向翅片扁管换热器正越来越为人们所关注。 纵向翅片管翅片沿管子轴向分布,翅片具有平息气流旋涡的性质,可获得良好的流动特性,其流动阻力通常低于其他扩展表面换热器,可彻底避免积灰和阻力大的问题。而且管外流体与管内流体形成逆流,在相同条件下,对数平均温差最大,换热量增加[1-4]。 扁管是一种高效强化传热元件。在管程进口体积流量相同条件下,扁管管内进出口温差、传热系数和雷诺数均高于圆管,虽其压降也高于圆管,但其传热与流阻的综合性能指标显著高于圆管[5-9]。 纵向翅片扁管换热器的结构示意图如图1所示,主要由扁管和纵向翅片组成。翅片围绕扁管直边段并沿换热器的纵向平行分布。以扁管代替普通换热器中圆形截面换热管,其壁厚相对较薄,同样换热面积,用材较少。同时,壁厚的减薄削弱了传热热阻,使传热系数增大。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,减少管外侧流体阻力,不易积灰结垢,维护方便。可广泛应用于高温腐蚀性含尘气体环境及空冷器中[4]。 2·模型的建立 以用于空冷器中的矩形平直纵向翅片扁管换热管为研究对象,由于翅片管换热器空气侧的换热热阻是整个热阻中主要部分,而翅片结构形式和几何尺寸对空气侧的换热性能与流动阻力起着决定性的影响[10]。 纵向翅片换热管翅片沿基管轴向分布,翅片的长度与基管长度一致,确定翅片管结构首先要考虑翅片的长度。如果空气被加热,空气沿翅片长度方向温度逐渐升高,顺流情况下,空气的出口温度只能接近热流体的出口温度,但不会高于热流体的出口温度;逆流情况下,空气的出口温度有可能高于热流体的出口温度或接近热流体的进口温度,但不会高于热流体的进口温度。也就是说,沿长度方向空气温度不可能一直增加,散热量会达到一定值后就保持不变。所以本文重点研究翅片结构中的重要参数———翅片长度对换热器性能的影响,对翅片长度进行优化。 取如图2所示换热单元,对换热单元区域上的流动和阻力特性进行数值模拟。 (1)边界条件 如图2所示,X=0,X=x1处是翅片的中心对称面,设为symmetry边界;Y=0是接近热流体的壁面,设为恒温面。 (2)网格的划分 划分成结构化网格,选择Hex六面体网格,翅片采用Submap方式,空气区域采用Map方式。采用控制容积法对计算区域作离散化处理,k-ε双方程模型考虑湍流对流动与传热的影响。采用分离变量法隐式求解,保证收敛的稳定性;压力和速度耦合采用SIMPLE算法。 3 翅片长度的优化及结果分析 利用Fluent软件对矩形平直纵向翅片扁管换热器进行模拟计算,比较分析翅片长度、进口风速对换热器的传热与流动性能的影响。 图3 ~图5为不同进口风速下200mm和400mm长纵向翅片扁管换热器空气侧静压分布图。 由图3~图5可以看出,因为存在流动阻力,空气通道的静压沿程下降,出口处相对压力都为0Pa。翅片管结构相同时,随着速度的增大压降逐渐增加;在进口风速相同的情况下,压降随着翅片长度的增加而增加。 图6~图8为长200mm和400mm翅片管在不同进口风速下的空气侧温度分布图。 由图6~图8可知,进口风速为2m/s, 298K的空气经过200mm长翅片管后出口温度在319K左右,经过400mm长翅片管后出口温度接近323K;风速为6m/s时298K的空气经过400mm长翅片管后出口温度在318K左右。可见,翅片较短、进口风速较大时,空气受热时间较短,不能与热源充分换热,换热效果相对较差。 不同速度下翅片长度和散热量的关系如图9所示。从图9中可以看出,进口风速不变,一定翅片长度范围内,散热量随着翅片长度的增加而增加。翅片长度增加到一定程度后,散热量保持不变。不同速度对应一最佳翅片长度,即有效长度。风速为2m/s时,翅片的有效长度为400mm;风速为4m/s时,有效长度在600mm左右;风速为6m/s时,有限长度在700mm~800mm之间;风速为8m/s时,有效长度在900mm~1 000mm之间。由分析可知,随着进口风速的增大,翅片的有效长度越大。 4 结论 由于纵向翅片具有鳍形,可获得良好的流动特性,不易积灰;又由于空气纵掠管外,流动阻力大大减低;而且扁管比圆管具有较高的综合性能,扁管的平直性又有利于翅片的布置,可有效提高换热性能,所以纵向翅片扁管换热器可广泛用于多灰烟气余热回收及空冷器中。 本文利用CFD数值模拟,研究了翅片长度对矩形平直纵向翅片扁管换热器表面的流动与传热性能的影响。其结果表明: (1)不同进口风速对应不同的有效纵向翅片长度。如果翅片太短,换热不充分。如果翅片过长,翅片后端的空气温度不会继续升高,会造成材料的浪费,使换热器制造成本增加。 (2)随着进口风速的增大,翅片的有效长度越大。进口风速为2m/s时,翅片的有效长度为400mm;进口风速为4m/s时,有效长度在600mm左右;进口风速为6m/s时,翅片有效长度在700mm~800mm之间;风速为8m/s时,有效长度在900mm~1 000mm之间。参考文献[1]庄琛,顾平道.纵向翅片热管在干式空气冷却塔中的应用[J].节能, 2004, 262(5): 22-25.[2]仇性启.纵向翅片管管外换热与阻力特性的实验研究[J].石油机械, 2001, 29(3): 8-10.[3]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.[4]顾平道,等.一种纵向翅片热管干式空气冷却塔[P].中国专利: 200420110242. 8, 2006-02-01.[5]康海军,李妩,李慧珍,等.平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学学报, 1994,28(1): 91-98.[6] RicardoRM, SenM, eta.l Effectof fin spacing on con-vection in a plate fin and tube heat exchanger[J]. Int.J. HeatMassTransfer, 2000, 43: 39-51[7]肖洪.椭圆管与扁管管板式换热器换热性能的分析比较[J].节能技术, 2006, 3(24): 265-267.[8]王泽武.扁管管内传热性能实验研究[Z]. 2003, 25(4): 71-74.[9]张树国,赵兴楼,等.扁平翅片管数值模拟及其结构优化[J].汽轮机技术, 2009, 51(1): 33-35.[10]徐百平,江楠,程卓明,等.平直翅片管翅式换热器流动与传热数值模拟[ J].化工装备技术, 2005, 26(4): 46-49. |
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