翅片结构参数对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响

2012年06月10 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要:以纵向翅片扁管换热器为研究对象，分析翅片长度、翅片高度及翅片间距对换热性能的影响，并对换热器的翅片结构参数进行优化，得出进口风速为2m/s时理想的翅片结构参数为:翅片长度为400mm、翅片高度为25mm、翅片间距为2．7mm。

关键词:翅片长度;翅片高度;翅片间距;换热器

1·引言

纵向翅片扁管换热器是一种新型、紧凑、高效换热器。纵向翅片扁管换热器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，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。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，广泛应用于高温腐蚀性含尘气体环境及空冷器中［1－4］。合理的翅片结构更加有利于纵向翅片扁管换热器换热性能的提高，增强换热。描述翅片结构的参数主要包括翅片长度、翅片间距及翅片高度等。国内外已有不少资料研究了翅片结构参数对换热器换热性能的影响。阎振贵［5］通过公式计算分析了翅片的高度和材料厚度不变时，节距减少对翅片几何参数的影响。得出在同样翅片高度的情况下，翅片节距变小，其翅片性能有提高的趋势这样的结论。刘占斌［6］通过数值模拟表明翅片间距越小，平均传热系数越大。但这时的间距必须大于两倍的边界层厚度。

而对新型换热器———纵向翅片扁管换热器翅片结构参数对换热性能影响的研究却很少。基于前人的研究，本文重点研究翅片结构参数(翅片长度、翅片高度和翅片间距)对纵向翅片扁管换热器换热性能的影响，并对翅片结构参数进行优化。

2·翅片结构参数的影响

2．1翅片长度

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。

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。

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，分析翅片长度对换热器的传热与流动性能的影响。分析过程详细见参考文献［7］。不同速度下翅片长度和散热量的关系如图1所示。由图1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。由分析可知，随着进口风速的增大，翅片的有效长度越大。

2．2翅片高度

在由管内向管外传热的情况下，热量将从翅片根部沿翅片高度向外传递，同时不断地以对流换热的方式传给周围的流体，结果使得翅片温度沿高度方向逐渐下降。这说明翅片温度与周围流体温度的差值逐渐缩小，单位面积的换热量逐渐缩小。这样，翅片表面积对增强换热的有效性下降。翅片高度越高，其增加的面积对换热的“贡献”越小。翅片效率的定义体现这点。

翅片效率取决于翅片的形状、高度、厚度、材质和管外换热系数。翅片高度对翅片效率的影响最大，翅片越高，翅片效率就越低;其次，翅片材质的热传导性能也有一定的影响。表1中的翅片效率值是换热系数h=50W/(m2．K)的条件下，通过查参考文献［8］得到的。表1中，翅化比和翅片效率的乘积(η×β)是翅片有效性的最终指标。

2．3翅片间距

在基管宽度一定的情况下，翅片间距的变化也会引起翅片数目相应的变化。原始翅片管翅片间距为2mm，通过CFD模拟计算，进行比较分析。分析结果如图2，图3所示。

由图2～3可以看出，在1．6mm～3．2mm范围内，翅片间距存在最优值。间距小于最优值时，平均换热系数随着间距的增加而增加;间距大于最优值时，平均换热系数随着间距的增加而减小。这是因为当翅片间距小于或等于两倍边界层厚度时，相邻翅片间的流体近似于静止状态，传热形式由对流传热变成了流体的导热，传热效果大大降低，所以翅片最小间距必须大于相邻两翅片表面流体边界层厚度之和。如果翅片间距过大，翅片管的传热面积减小，使平均传热系数减小。在2m/s的风速下，400mm长的翅片管合适的翅间距在2．4mm～2．8mm之间。

由图3可知，空气流道的压降随着间距的增加而减小，这是因为在相同的平均流速下，片距越小，平均速度梯度越大，流体的粘性力也越大，扰动作用增加，使流动阻力增加。

3·翅片结构参数优化

纵向翅片管原始结构参数如下:基管宽度200mm，基管厚度2mm，翅片高度20mm，翅片厚度0．2mm，翅片间距2．0mm，翅片数量90×2个。分别对翅片长度、高度和间距进行优化，并从中选出较优翅片高度和翅片间距。在一定长度下，安排正交实验，获得较优的一组翅片高度和翅片间距。对翅片管的翅间距、翅高分别在其较优范围内取四个数值，翅片厚度由材料决定，保持0．2mm不变。将两组数据组合来安排正交实验，优化翅片长度为400mm的纵向翅片管。利用fluent软件对各种翅片结构进行模拟计算，结果如表2所示。

从表2可以看出，2．7mm为合适的翅片间距。在大于2．7mm的范围内，随着间距的增加，平均对流换热系数逐渐减小。这表明风速为2m/s时相邻两翅片表面流体边界层厚度之和小于2．7mm。过度增大翅间距，会使翅片数目减少，换热面积随着减小，不利于换热。对于同种间距的翅片管，平均对流换热系数随翅高的增加逐渐增大，增加翅片高度，可以增加翅片管的换热面积，从而增大平均对流换热系数，但翅片高度过高也会增大沿翅片高度方向的热阻，使热量难以从翅片根部传递到翅片顶部。翅高对平均对流换热系数的影响程度低于翅间距;空气流道的压降随着高度的增加而减小。经比较可知，风速为2m/s时，理想的翅片结构参数为:翅片间距为2．7mm、翅片高度为25mm、翅片长度为400mm。

4·翅片结构参数优化前后的性能比较

利用CFD模拟分析原始翅片结构参数与风速2m/s下优化结构参数的翅片管在不同风速下换热和流动特性。Re数小于2300时按层流模型计算，Re数大于2300时按湍流模型计算，采用标准k－ε模型。

优化结构和原始结构翅片性能曲线如图4和图5所示。由图4～5可以看出:随雷诺数的增加，传热因子j和摩擦因子f均呈单调递减;在雷诺数Re≤2500范围内，在相同雷诺数下，优化结构的传热因子大于原结构的传热因子;随着雷诺数的增加，两者的差距逐渐减小，说明在雷诺数大于1000时，翅片结构还有较大的优化空间;优化结构的摩擦因子小于原结构的摩擦因子，这是因为优化结构的翅间距大于原结构的翅间距。

5·结论

纵向翅片扁管换热器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。而合理的翅片结构参数亦有利于提高其换热性能。本文通过翅片长度、翅片高度和翅片间距对纵向翅片扁管换热器换热性能影响的研究及翅片结构的优化，得到以下结论:

(1)进口风速不变，一定翅片长度范围内，换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，换热量保持不变。

(2)翅片越高，翅片效率就越低。综合考虑换热性能及经济效益，翅片高度应控制在25mm以内。

(3)风速为2m/s时，2．7mm为合适的翅片间距。对于同种间距的翅片管，平均对流换热系数随翅片高度的增加逐渐增大。增加翅片高度，可以增加翅片管的换热面积，从而增大平均对流换热系数，但翅片高度过高也会增大沿翅片高度方向的热阻。

(4)进口风速为2m/s时，理想的翅片结构参数为:翅片间距为2．7mm、翅片高度为25mm、翅片厚度为0．2mm、翅片长度为400mm。

(5)随雷诺数的增加，优化结构和原结构的传热因子和摩擦因子均呈单调递减;雷诺数Re≤2500且相同时，优化结构的传热因子大于原结构的传热因子，优化结构的摩擦因子小于原结构的摩擦因子。

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．一种纵向翅片热管干式空气冷却塔［P］．中国专利:2．8，2006－02－01．