翅片管式換熱器空氣側(cè)性能的數(shù)值模擬

1、文章編號:CAR105翅片管式換熱器空氣側(cè)性能的數(shù)值模擬陳瑩1高飛1高岡大造1徐林虓1李維仲2左建國2(1三洋電機(jī)(中國有限公司大連分公司2大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院摘 要 采用數(shù)值模擬的方法對翅片間距為1.6mm的波紋翅片管換熱器的性能進(jìn)行了研究,考察了在不同的迎面風(fēng)速條件下1-5列換熱器空氣側(cè)的換熱和壓降特性。得到了翅片表面溫度分布、壓力分布等結(jié)果,分析了迎面風(fēng)速對翅片表面的溫度、空氣流動(dòng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果與在相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,對數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞 波紋翅片換熱器數(shù)值模擬換熱系數(shù)壓力損失NUMERICAL SIMULATION OF AIR-SIDE P

2、ERFORMANCE OFFINNED TUBE HEAT EXCHANGERChen Ying1 Gao Fei1 Daizo Takaoka1 Xu Linxiao1 Li Weizhong2 Zuo Jianguo2(1 SANYO Electric(ChinaCo.Ltd. Dalian Branch Research Dept2 Energy and Power Department of DLUT Abstract The performance of corrugated finned tube heat exchangers are simulated, the charact

3、eristic of air side heat transfer and friction of 1-5 rows heat exchangers are investigated under different frontal velocities. The results of temperature profile and pressure profile on fin surface are achieved. The effect of frontal velocity with the fin surface temperature and air flow is analyze

4、d. The numerical results are validated by comparing with the experimental results under the same boundary conditions.Keywords Corrugated fin Heat exchanger Numerical simulation Heat tranfer coefficient Pressure drop0 引言管翅式換熱器被大家廣為關(guān)注1,2,3,因此,對于管翅式換熱器的換熱及阻力性能的研究,具有重要意義。單純采用實(shí)驗(yàn),設(shè)備復(fù)雜且成本較高,因而采用數(shù)值計(jì)算來模擬其流動(dòng)和

5、換熱情況越來越受到人們的重視。波紋翅片在換熱器中被廣泛應(yīng)用,所以對于波紋片換熱器翅片側(cè)熱流動(dòng)性能的模擬,具有重要意義。符號說明a :空氣側(cè)傳熱系數(shù)W/(m2Km :空氣的平均導(dǎo)熱系數(shù) w/(mK2s :列間距 mmde :當(dāng)量直徑 mmRe :雷諾數(shù) 作者簡介:陳瑩,(1982女,助理工程師Pr :普朗克數(shù)rn :管排數(shù) T :空氣的平均溫度 KPa :空氣側(cè)壓力損失 p aam :空氣的平均密度 Kg/m3acV: 最小截面處速度 m/sf: 摩擦因子1 換熱器管外氣流模擬方法管外氣流模擬,采用商業(yè)軟件fluent,采用前處理軟件gambit建模。1.1 模擬換熱器的尺寸模擬的換熱器分別為波

6、紋型翅片和平直翅片管翅式換熱器,管材料為銅,翅片材料為鋁,規(guī)格見表1。表1 模擬用換熱器規(guī)格規(guī)格項(xiàng)目 波紋型翅片mm 平直翅片mm 管外徑 9.529.53管壁厚 0.31 0.31 翅片間距 1.60 1.5翅片厚度 0.115 0.115 列間距 25.0 25.4 行間距21.65 22.0模擬條件為:銅管內(nèi)溫水設(shè)定為60溫水,空氣入口溫度選取常溫25,入口風(fēng)速為0.2m/s8.0m/s ,分別對1排到5排管換熱器進(jìn)行模擬。1.2 幾何模型本文采用商用軟件fluent 前處理軟件gambit 建立幾何模型,網(wǎng)格為三棱柱狀網(wǎng)格,質(zhì)量在0.7以下,以波紋翅片建模為例,邊界條件定義如圖1所示。

7、圖1 Gambit 建模示意圖 Fig. 1 Model built by Gambit1.3 物理模型針對選取的幾何模型,進(jìn)行以下簡化: 由于傳熱管是0.31mm 厚的銅管,自身的導(dǎo)熱系數(shù)很大,忽略它自身的導(dǎo)熱溫差,把管外壁的溫度看成與管內(nèi)水的溫度相同,即60。 最高溫度為60,故忽略輻射傳熱。 忽略翅片根部的接觸熱阻,即認(rèn)為翅片根部與傳熱管接觸程度達(dá)理想狀態(tài),翅片根部的溫度與傳熱管外壁的溫度相同(60。 由于溫水在整個(gè)管路中溫差不大,所選取的計(jì)算域(長度方向?yàn)?.75mm也非常小,故忽略在水流方向上的溫差。1.4 數(shù)學(xué)模型根據(jù)以上簡化物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,可以用以下四個(gè)方程4來描述翅片管外

8、表面對流換熱過程:連續(xù)性方程:0=+zw y v x u (1 0=+zw y v x u (2 動(dòng)量守恒方程:=+j i i x uj u t u ( 3,1(=+i u u x u x x P j i ji j i (3 能量守恒方程:=+(P E v E tr (v T j h T k eff ij e rr + (4式中:e k =K +K f ;(K T dT C h v q P h E ref P T REF15.298,22=+=(5空氣湍流流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)的k-方程:=+(i iku x k t +k jk i j G x k x ( (6=+(i i u x t (j i jx

9、x + KC G kG K 221+ (72 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,在相同條件下做了波紋型換熱器的風(fēng)洞試驗(yàn),將二者結(jié)果進(jìn)行了比較。平直翅片形狀簡單,用波紋型翅片的實(shí)驗(yàn)足以驗(yàn)證模擬結(jié)果。 模擬采用的波紋型換熱器的規(guī)格與模實(shí)驗(yàn)的相同,如表1所示,模擬條件也與實(shí)驗(yàn)條件相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對照比較時(shí),進(jìn)行了無量綱化處理。其中換熱系數(shù)用Nu 表示:m e a d Nu /= (8引入無量綱量x*:/(x*2e r e d P R L = (9 壓力損失用下面式子表示:2/(/(422v d L f p am e a = (10 引入無量綱數(shù)量x+:/(x 2e e d R L =

10、+(11 將模擬所得的Nu-x*散點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)所得關(guān)系式計(jì)算出的Nu-x*曲線放在同一圖中(如圖2所示、誤差分析如圖3所示。同樣,引入壓力損失相關(guān)量摩擦系數(shù)f,做成f Re-X+的曲線(圖4,誤差分析如圖5所示。由這些圖線可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果契合度很好,可以證明,該模擬能很好地反映實(shí)際工況下的對流換熱現(xiàn)象,可以證明,該模擬能夠成功再現(xiàn)管翅式換熱器外表面的流動(dòng)換熱現(xiàn)象。 510152025300.0010.010.1110x*=L2/(RePrdeN u圖2 無量綱Nu-x*圖 0510152025 30051015202530實(shí)驗(yàn)Nu模擬N u圖3 傳熱系數(shù)誤差分析圖50100150200

11、2503000.0010.0100.1001.000x+=L2/(Redef Re圖4 無量綱化f Re-x+圖0501001502002503000100200300實(shí)驗(yàn)fRe模擬f R e圖5 壓力損失誤差分析圖3 模擬結(jié)果3.1 換熱系數(shù)平直翅片和波紋翅的傳熱系數(shù)比較如圖6和7所示。可見,風(fēng)速較小時(shí),空氣側(cè)平均換熱系數(shù)依次減小;隨著風(fēng)速的增加,1排管的換熱系數(shù)增加趨勢比其他管排要緩慢。尤其是波紋型翅片,在高風(fēng)速時(shí),1排的空氣側(cè)平均換熱系數(shù)與其它管排出現(xiàn)交叉,反而比多排的換熱系數(shù)小。05101520253002468va m/sN u圖6 平直翅片va-Nu 圖 0510152025300

12、.002.004.00 6.008.00va m/sN u圖7 波紋翅片va-Nu 圖這是因?yàn)榈屠字Z數(shù)時(shí),流動(dòng)緩和,管排間影響不大;而高雷諾數(shù)時(shí),流動(dòng)劇烈,管排間流場相互影響,從而影響到空氣與翅片、空氣與管壁之間的換熱?？諝鈾M掠過管束的第1排管面時(shí),流動(dòng)和換熱情況與橫掠單管的情形相似,但從第2排開始,管子的后排處于前一排管的回流區(qū)中(見圖8和9,前排造成的流場擾動(dòng)會(huì)使流動(dòng)和換熱情形差別較大。旋渦區(qū)域越寬,其強(qiáng)化換熱作用越大,使流體對壁面換熱的參與度大大增加,這些已經(jīng)得到證實(shí) 5,6,7。多排管間的流動(dòng)可以相互影響,而1排管則處于孤立狀態(tài),故高雷諾數(shù)時(shí)1排管的空氣側(cè)平均換熱系數(shù)反而會(huì)小于多排管,

13、圖中曲線出現(xiàn)交叉(見圖7。 圖8 v=4.0時(shí)波紋翅空氣側(cè)溫度分布(3排管 圖9 v=4.0時(shí)波紋翅空氣側(cè)溫度分布(1排管圖10 v=4.0時(shí)波紋翅空氣側(cè)速度分布圖10為 v=4.0時(shí)波紋翅空氣側(cè)速度分布,可以看出,背風(fēng)側(cè)靠近管壁處換熱最差,該處風(fēng)速幾乎為零。3.2 圧力損失同樣,平直翅片和波紋翅的壓力損失的比較如圖11和12所示。由該圖可以看出,隨著列數(shù)的增加,壓力損失也隨著增加。另外,波紋翅換熱器的壓力損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平直翅片。例如當(dāng)v=8m/s 時(shí),波紋翅換熱器壓力損失是平翅的170%。這說明,翅片形狀對傳熱和阻力性能影響很大。10020030040050060002468va m/sP a

14、圖11 平直翅片va-Pa 圖10020030040050060070080090010000246810va m/sP a圖12 波紋翅片va-Pa 圖4 總結(jié)1通過試驗(yàn)驗(yàn)證可證明該模擬能夠成功再現(xiàn)管翅式換熱器的外表面流動(dòng)換熱現(xiàn)象。2在相同風(fēng)量條件下,波紋翅與平直翅片相比,平均表面換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于平直翅片,但換熱系數(shù)提高的同時(shí)壓力損失也大為增加,說明翅片的形狀結(jié)構(gòu)對流場分布和強(qiáng)化換熱效果的影響較大。3由模擬得出的云圖可看出,空氣橫掠過多排翅片管時(shí),從第2排開始,管子的后排處于前一排管的回流區(qū)中,前排造成的流場擾動(dòng)會(huì)使流動(dòng)和換熱情形差別較大,旋渦區(qū)域越寬,其強(qiáng)化換熱作用越大。多排管間的流動(dòng)可以相互影響,而1排管則沒有前后管排的影響,處于孤立狀態(tài),故高雷諾數(shù)時(shí)1排管的空氣側(cè)平均換熱系數(shù)反而會(huì)小于多排管。4背風(fēng)側(cè)靠近管壁處換熱最差,此處速度幾乎為零。參考文獻(xiàn)1 甘慶軍,簡棄非,許石嵩.換熱器翅片表面空氣流動(dòng)熱力過程的三維數(shù)值模擬J.制冷2004,23(22 劉小平,張敏,劉晶等.商用GAMBIT的解析和應(yīng)用J.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(13 李惠珍,屈治國,程永攀等.開縫翅片流動(dòng)和傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(3 4 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)M