風(fēng)冷翅片管換熱器傳熱特性研究

1、第7卷第2期2008年6月熱科學(xué)與技術(shù)Journal of Thermal Science and TechnologyVol.7No.2Jun.2008文章編號(hào):1671-8097(200802-0120-06風(fēng)冷翅片管換熱器傳熱特性研究程金強(qiáng),梅 寧*,趙 杰(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266100摘要:以銅鋁復(fù)合翅片管為研究對(duì)象,結(jié)合翅片管換熱器傳熱性能分析,給出其傳熱過(guò)程的物理模型。通過(guò)流固界面?zhèn)鳠狁詈?利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD軟件進(jìn)行模擬,對(duì)翅片管在不同風(fēng)速、風(fēng)溫下的翅片管換熱過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬,得到翅片管的肋片效率,翅片管傳熱系數(shù)等一系列數(shù)值。并建立了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)

2、行驗(yàn)證,結(jié)果表明翅片管能滿足溴冷機(jī)在風(fēng)冷條件下作為吸收器的散熱要求。關(guān)鍵詞:翅片管;流固界面?zhèn)鳠狁詈?溴化鋰吸收式制冷機(jī)中圖分類號(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A收稿日期:2008-02-18; 修回日期:2008-03-19.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50676086.作者簡(jiǎn)介:程金強(qiáng)(1984-,男,碩士生.通訊作者:梅 寧(1961-,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師.E -mail:nmeiou 0 引 言用普通的光管組成的熱交換器,在很多情況下,管外流體和管內(nèi)流體對(duì)管壁的換熱系數(shù)是不一樣的。比如圓管內(nèi)部是流動(dòng)的水,其換熱系數(shù)為5000W/(m 2 K,而管外流動(dòng)的是煙氣,其換熱系數(shù)只有

3、50W/(m 2K,二者相差100倍。由于空氣側(cè)的換熱 能力 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水側(cè),限制了水側(cè)換熱 能力 的發(fā)揮,使得空氣側(cè)成為傳熱過(guò)程的 瓶頸 ,限制了傳熱量的增加。為了克服空氣側(cè)的 瓶頸 效應(yīng),強(qiáng)化傳熱效果,在空氣側(cè)外表面加裝翅片,使空氣側(cè)原有的傳熱面積得到了極大的擴(kuò)展,彌補(bǔ)了空氣側(cè)換熱系數(shù)低的缺點(diǎn),使傳熱量大大提高。傳熱管兩側(cè)換熱系數(shù)如果相差較大,則應(yīng)該在換熱系數(shù)小的一側(cè)加裝翅片,但是會(huì)引起流動(dòng)阻力的增加,兩者應(yīng)權(quán)衡利弊。翅片管傳熱系數(shù)受肋片高度、間距、厚度、形狀、材料及制造工藝等因素影響。翅片高度增加到一定程度后,如果再繼續(xù)增加,散熱量會(huì)減少,使翅片效率降低;翅片不能太密,否則容易產(chǎn)生積灰,而

4、且清灰困難,還會(huì)增加工藝難度,提高加工成本。一般,在能源工程上應(yīng)用的翅片管,其翅化比在512;而在空調(diào),空冷行業(yè),其翅化比在1522。銅鋁復(fù)合翅片管具有耐壓強(qiáng)度高、傳熱快、體積小、重量輕、高效節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn),是高效傳熱管件發(fā)展的一個(gè)重要方向,其上肋片加工方法有直接鑄造、軋制、切削制作和纏繞金屬薄片等1。采用大型三維數(shù)值模擬軟件對(duì)傳熱構(gòu)件進(jìn)行模擬,已成為近年來(lái)對(duì)高效傳熱器研究的一種重要手段,它不但可以得到可靠的結(jié)果,還可以大幅減少試驗(yàn)研究的工作量2-3。本文對(duì)翅片管在不同風(fēng)速、風(fēng)溫下的換熱過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行數(shù)值模擬,得到翅片管的肋片效率、翅片側(cè)的換熱系數(shù)及其散熱量等一系列數(shù)值,為高效傳熱翅片

5、管能否應(yīng)用于小型溴冷機(jī)中吸收器部分提供了基本的數(shù)據(jù)。1 物理模型1.1 模擬對(duì)象描述該模型除了考慮傳熱外,還有翅片外流場(chǎng)的模擬,所以屬于三維傳熱流體運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題,考慮到計(jì)算機(jī)硬件配置及計(jì)算時(shí)間的問(wèn)題,模型選取了長(zhǎng)為11.5m m 的一段翅片管,包括四個(gè)梯形肋片,外部流場(chǎng)考慮到空氣外掠翅片管需要一個(gè)充分發(fā)展空間,定義了一個(gè)長(zhǎng)矩形風(fēng)洞,在沿吹風(fēng)方向上,進(jìn)口處距離翅片頂端20mm ,出口處距離翅片頂端60mm,垂直于吹風(fēng)方向的四個(gè)面距離翅片距離均是10mm 。本文研究的銅鋁復(fù)合翅片管外形描述如圖1所示,基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。變截面的環(huán)形肋片能夠提高肋片效率,同時(shí)也可以減輕肋片的重量4。表1 銅鋁復(fù)合翅

6、片管結(jié)構(gòu)參數(shù)T ab.1 Str ucture parameter s o f Cu -A l co mbined finned tube翅片外徑/mm 翅根直徑/m m 翅高/mm 翅根寬/mm 翅頂寬/mm 翅片間距/m m 銅管外徑/mm 銅管內(nèi)徑/mm 5727150.40.22.325 20圖1模擬對(duì)象描述Fig.1 O bject o f simulatio n1.2 風(fēng)冷翅片管物理模型復(fù)合翅片管換熱器計(jì)算物理模型,翅片管襯管內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)溴化鋰吸收水蒸氣并放出吸收熱,此熱量作為熱源傳向管外翅片側(cè),翅片側(cè)有環(huán)境風(fēng)吹過(guò)實(shí)現(xiàn)散熱,其主要特點(diǎn)及假設(shè)為1復(fù)合翅片管由基管和襯管組成,外部肋片為變

7、截面環(huán)肋,等大小等間距排列。2復(fù)合翅片管各材質(zhì)熱物性在所模擬溫度范圍內(nèi)為定值。3風(fēng)冷條件下,管外吹風(fēng)空氣物性為常數(shù),且為不可壓縮流動(dòng)。4管內(nèi)吸收放熱由均勻熱流密度或者恒定壁溫來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。5基管與翅片管之間為面全接觸,不考慮接觸熱阻,為傳熱耦合面。6外部風(fēng)洞尺寸要比翅片管大,至少不能影響空氣流場(chǎng)的發(fā)展。2 數(shù)學(xué)模型2.1 計(jì)算模型選取及控制方程本模型包括銅鋁復(fù)合翅片管,風(fēng)洞中的風(fēng)。由于風(fēng)速較小,屬于不可壓縮流體流動(dòng),選擇非耦合單精度解法,這樣不僅精度能達(dá)到要求,而且還節(jié)省計(jì)算機(jī)資源,除了流動(dòng)模型、傳熱模型(能量方程外,還需要加一個(gè)湍流模型,計(jì)算中所采用的湍流模型主要有零方程模型、一方程和雙方程模

8、型6,而以k - 雙方程模型用得最多。本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)k - 雙方程模型,湍流黏度為u t = C k 2/(1式中:C 為常數(shù),k 為湍流動(dòng)能, 為湍流動(dòng)能耗散率。k 湍流動(dòng)能疏運(yùn)方程:k t + u j k x j =x j+i k k x j i u i x j u i x j + u j x i- (2湍流動(dòng)能耗散率輸運(yùn)方程:t + u k x k =x k+ t x k +c 1 k t u i x j u i x j + u jx i-c 12k(3式中: t 為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng), u k x k 為對(duì)流項(xiàng),x k+t x k 為擴(kuò)散項(xiàng),c 1 k t u i x j u i x j +u

9、 jx i為產(chǎn)生項(xiàng),c 2 2k為消失項(xiàng)。121第2期程金強(qiáng)等:風(fēng)冷翅片管換熱器傳熱特性研究采用k - 雙方程模型,則:t =c k 1k l=c u k 2/(4其中,c =c c D 。采用k - 雙方程模型求解湍流對(duì)流換熱問(wèn)題,控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及k 、 方程和式(4。2.2 模型網(wǎng)格劃分在用CFD 軟件進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí),由于是三維網(wǎng)格,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格式生成技術(shù),網(wǎng)格單元為主要由四面體組成的混合網(wǎng)格,個(gè)別位置允許有六面體或楔形體的存在。該類型網(wǎng)格適應(yīng)性強(qiáng),特別適用于邊界條件復(fù)雜的問(wèn)題,并利用塊網(wǎng)格生成方法,對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸小的區(qū)域以較小的網(wǎng)格單元間隔來(lái)劃分。本模型中的銅管

10、、肋基管及肋片部分取值為1,生成網(wǎng)格如圖2所示;風(fēng)洞部分取值為2,生成網(wǎng)格如圖3所示;模型共生成383097個(gè)單元網(wǎng)格,在后續(xù)CFD 模擬中顯示網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求。2.3 邊界條件邊界條件是求解區(qū)域的邊界上待求解變量或其導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)、時(shí)間的變化規(guī)律。風(fēng)洞入口:速度入口邊界條件,v 0=4+3n (n =0,1,2 7;溫度變化工況,T 0=299+2n (n =0,1,2 5。風(fēng)洞出口:自由出流邊界條件,p out =101325Pa ?；芘c翅片管接觸面和空氣外掠肋片的表面:耦合傳熱面,第二類邊界條件?；軆?nèi)表面:定壁溫為T W =323K,模擬放熱面熱源。其他所有各面均采用了無(wú)滑移固壁條件,在

11、近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。且計(jì)算中忽略了重力對(duì)流場(chǎng)的影響。3 翅片管束管外對(duì)流換熱試驗(yàn)研究試驗(yàn)的翅片管束安裝在一臺(tái)低速風(fēng)洞中,如圖4所示。試驗(yàn)由有機(jī)玻璃風(fēng)洞、加熱管件、風(fēng)機(jī)支架、測(cè)試儀表等六部分組成。有機(jī)玻璃風(fēng)洞由帶整流隔珊的入口段,整流絲網(wǎng)、平穩(wěn)段、前測(cè)量段、工作段、后測(cè)量段、測(cè)速段、擴(kuò)壓段等組成。工作段和前后測(cè)量段的內(nèi)部橫截面積為200m m 200mm 工作段的管束及固定管板可自由更換?？諝饬鞯倪M(jìn)出口溫度由溫度傳感器測(cè)量,入口處安裝4個(gè),出口處可安裝4個(gè),以考慮出口截面上氣流溫度的不均勻性。空氣流經(jīng)翅片管束的壓力降由高靈敏度壓差傳感器測(cè)量,管束前后的靜壓測(cè)孔都是4個(gè),均布在前后測(cè)量段的壁面

12、上。空氣流量由安裝測(cè)速段孔板測(cè)量。試驗(yàn)管件由兩部分組成:單純翅片管和帶翅片的試驗(yàn)熱管,但外型尺寸是一樣的,采用順排排列,翅片管束的幾何結(jié)構(gòu)如表2所示。試驗(yàn)熱管的加熱段由專門的電加熱器進(jìn)行加熱,電加熱器的電功率由電流、電壓表進(jìn)行測(cè)量。每一支熱管內(nèi)部插入一根高精度溫度傳感器用以測(cè)量熱管內(nèi)溫。表2 銅鋁復(fù)合翅片管束結(jié)構(gòu)參數(shù)T ab.2 Str ucture parameter s o f Cu -A l co mbined finned tube翅片管內(nèi)徑/mm翅片管外徑/m m 翅高/mm 翅片厚度/mm 翅片間距/mm 橫向管間距/m m 縱向管間距/mm 管排數(shù) 122熱科學(xué)與技術(shù)第7卷 1.

13、吸入管2.管簇前測(cè)壓管3.試驗(yàn)管段4.管簇后測(cè)壓管5.測(cè)壓管6.風(fēng)機(jī)7.風(fēng)機(jī)控制盒8.控制箱圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)圖F ig.4 Schematic of ex per imental system4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析經(jīng)過(guò)大約500次迭代后收斂(殘差曲線趨于穩(wěn)定,殘差值皆小于0.001,翅片附近溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)情況如圖58所示。本文翅片側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)及流動(dòng)阻力求解采用試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式法3, 相關(guān)關(guān)聯(lián)式為S t Pr 23= 1(R e(5S t =N u/(Re Pr =h/( c p u(6根據(jù)式(5(6,本文分別對(duì)風(fēng)場(chǎng)的不同狀況進(jìn)行了模擬,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,討論了怎樣的流場(chǎng)狀況才能滿足翅片管吸收

14、器風(fēng)冷條件下的散熱要求,數(shù)值計(jì)算整理結(jié)果見(jiàn)表3 。表3 不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果T ab.3 Results o f numerical simulation under var ious situations風(fēng)溫T f1/K風(fēng)速v /(m s -1肋基溫度T w2/K 翅片平均溫度T w 2,m /K 熱流密度/(W m -2肋片效率 f翅片側(cè)傳熱系數(shù)h /(W m -2 K -1出口風(fēng)溫T f2/K3084322.85322.765927.10.894026.79309.067322.84322.76210810.894631.21308.5610322.80322.7412130.895

15、835.09308.613322.77322.6913640.894439.49308.4916322.66322.5614980.893043.56308.5819322.76322.6616250.893047.12308.6122322.74322.6317800.892352.23308.5825322.56322.4420000.891658.35308.5329930130330530730910322.65322.5819400.896956.37299.96322.62322.5917480.898550.77301.95322.71322.6215890.895346.103

16、03.70322.74322.6614300.895341.45305.82322.80322.7212940.894837.43307.64322.86322.7711230.893332.46309.60123第2期程金強(qiáng)等:風(fēng)冷翅片管換熱器傳熱特性研究表3為數(shù)值模擬結(jié)果匯總,圖9、10為數(shù)值模擬與試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的性能曲線圖。由圖9、10可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小6.8%左右,主要是因?yàn)槟M時(shí)采用的是理想界面耦合條件,而試驗(yàn)所用的是軋制全鋁翅片管,由于肋片與基管接觸熱阻的存在4,試驗(yàn)管件傳熱性能比數(shù)值模擬的要低。本文所模擬的對(duì)象是市面上可見(jiàn)的型材,其翅根直徑與銅管內(nèi)徑相差達(dá)7m m,而在強(qiáng)調(diào)

17、換熱的條件下,此一距離必將大大減小,熱傳導(dǎo)熱阻也將減小,換熱系數(shù)會(huì)有明顯提高。在小型溴化鋰制冷機(jī)設(shè)計(jì)中用此種管子做冷凝器和吸收器,其最高傳熱系數(shù)達(dá)287W/(m2 K,在風(fēng)冷條件下是能滿足管內(nèi)溴化鋰吸收水蒸氣產(chǎn)熱,管外吹風(fēng)散熱要求的。數(shù)據(jù)還表明增加流體流動(dòng)速度可增加單位表面積的傳熱速率,同時(shí)也會(huì)使克服摩擦力的功耗增加,傳熱速率變化略低于速度變化率的一次冪,而阻力系數(shù)變化隨速度變化率達(dá)23次冪,與文獻(xiàn)6中所用關(guān)聯(lián)式(5(6計(jì)算所得結(jié)果相符6。5 結(jié) 論1在吹風(fēng)溫度一定時(shí),翅片面的傳熱系數(shù)、壁面熱流密度會(huì)隨著風(fēng)速增大而增大,基本為線性關(guān)系,且兩者增長(zhǎng)的比例一致,風(fēng)速增大1m/s,熱流密度增大約40

18、W/m2。據(jù)此可以估算吸收器散熱需要的吹風(fēng)速度,進(jìn)而確定風(fēng)機(jī)的型號(hào)。2當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),壁面的阻力系數(shù)也還會(huì)明顯增長(zhǎng),在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)將單管式的做成管束式,其間距要更加注重,因?yàn)樗鼤?huì)以相反地作用影響著換熱和阻力性能,兩者應(yīng)權(quán)衡利弊。3在風(fēng)洞進(jìn)口溫度一定時(shí),翅片面的傳熱系數(shù)、壁面熱流密度會(huì)隨著風(fēng)溫增大而減小,且于風(fēng)速對(duì)兩者的影響正好相反,這與事實(shí)情況相符。4由溫度場(chǎng)分布可以看見(jiàn),翅片的出現(xiàn)使溫度梯度能在更大的范圍內(nèi)展開(kāi),避免了光管換熱時(shí)的局限性,因?yàn)榭諝獾膿Q熱可以類推到水的換熱上來(lái)作比較。5可靠軟件的數(shù)值模擬的確能取代傳統(tǒng)的手工計(jì)算方法,并能得到理想的結(jié)論,對(duì)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著重要的作

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