开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

鹿钦礼，熊新强，马贵阳，杜明俊，陈鹏鹏

开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

鹿钦礼1，熊新强2，马贵阳1，杜明俊2，陈鹏鹏3

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 0622552 2.中国电器科学研究院，广东 广州 510860）

建立了开缝翅片换热器三维流动传热物理模型和数学模型，针对不同开缝位置的换热单元进行数值计算。并应用场协同理论分析了不同入口速度对换热特性的影响。研究表明：对翅片进行开缝能够有效提高翅片管的换热性能、强化传热，且下游开缝比上游开缝换热效果好，全部开缝换热效果最好。随着入口速度的增大4种翅片换热量明显增强，增加入口流速也可提高换热效率，但压力损失较大。计算结果可为工程实际应用提供一定的理论指导。

翅片换热器；开缝；场协同理论；换热特性；数值研究；

换热器作为工艺过程必不可少的单元设备广泛应用于石油、化工、动力、冶金、船舶、交通、制冷、空调等诸多领域。目前关于空调翅片尤其对翅片管三维数值研究的文献还很少[1-5]。随着对开缝翅片传热特性的深入研究和设计工艺的不断完善，开缝翅片换热性能的量化及结构尺寸的优化已成为今后研究的重点问题。本文主要从开缝翅片提高换热效率出发，对翅片管换热单元进行三维数值模拟。分析了开缝位置和方法对翅片管换热性能的影响。为改善换热器性能优化设计参数提供一定的理论指导。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文针对4种形式（无缝翅片（A）、上游开缝(B)、下游开缝(C)、全部开缝(D)）的两排翅片管的三维模型进行数值计算，开缝方式采用X型双桥开缝。为了避免回流，在流动方向上，入口延长l.5倍管径，出口延长5倍管径。开缝处条带翅片交替向上、向下突起,突起高度0.64 mm ，宽度1 mm，基管外径7 mm，翅片间距1.4 mm,翅片厚0.12 mm,横向管间距21 mm,纵向管间距12.7 mm。基于延长区域上下面及前后面全部为对称性边界条件，故将模型简化处理。图1为全开缝翅片管三维计算网格局部放大图。

图1 （全开缝翅片）计算区域网格局部放大图Fig.1 (Open seam fin) partial enlargement of regional grid computing

1.2 数学模型

不可压缩、稳态、常物性、三维流体流动控制方程如下：

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

1.3 变量定义[6]

压降：

式中：pin—进口平均压力；

pout—出口平均压力。

换热系数：

式中：Q—管外侧换热量；

A—管外侧换热面积。

速度场与温度场夹角平均值[7]：

式中：um—最小截面平均流速，m/s；

Pr—普朗特数，Pr=0.698；

µ—动力粘度，Pa·s；

ρ—流体密度，kg/m3；

λ—导热系数，W/（m·K）。

2 数值模拟及结果分析

这里所研究的翅片管换热器所用的材料均为铜，被加热的空气从左侧均匀流入，进口温度为30℃。管内介质为热水，由于水与管壁之间的换热系数以及铜的导热系数均很大，故将管内壁设为105℃恒温边界条件，翅片内部进行流固耦合换热计算。

图2给出了不同开缝位置翅片管X-Y截面温度场等值线图，结合速度场（云图未给出）分析可知：在流动的上游区域，流线与等温线几乎正交，二者夹角很小，协同性较好；在流动的下游区域，特别是管子后面的绕流区域，两个矢量的夹角较大，协同性差。在速度场和温度场协同比较差的下游开缝（翅片C）可以有效的改善传热效率。而对上下游同时开缝（翅片D）能够更好的改善速度场和温度场的协同情况。

图2 不同开缝位置翅片管X-Y截面温度场等值线Fig.2 Temperature field isoline of different seam position finned tube x-y section

图3给出了速度场和温度场夹角平均值随流速的变化关系。

图3 温度场速度场夹角随流速的变化关系Fig.3 Change of temperature field and velocity field angle with velocity

分析可知：随着流速的增加，4种翅片的平均夹角都增大，说明换热的增强主要是由于流量的增加而引起的，但场的协同性变差。在相同流速下，全开缝翅片D的平均夹角最小，场的协同性最好，换热最强；相反全平片的夹角最大，协同性最差，换热最弱。而翅片C 的夹角比翅片B略小，说明：翅片后部开缝比前部开缝，速度场和温度场的协同性更好。图4给出了翅片管壁总换热量随流速的变化关系。

图4 翅片管壁总换热量随流速的变化关系Fig.4 Total heat transfer change of finned wall with velocity

分析可知：4种翅片管壁的总换热量均随入口流速的增加而增大，这是由于入口速度的增大增强了空气侧的湍流程度，使管璧面边界层减薄，从而强化传热效率。4种翅片中翅片A的换热效果最差，翅片B次之，而翅片C的换热效果显然比翅片B好，这是由于翅片的开缝位置设在流动下游速度场和温度场协同性比较差的区域，这样可以更有效地强化传热。翅片D的传热效果最好，并且当入口速度越大时效果越明显。

图5给出了翅片怒赛尔数随流速的变化关系。

图5 翅片的怒赛尔数随流速的变化关系Fig.5 Change of fin Nusselt number with velocity

分析可知：随着流速的增加，不同方式的翅片管整体换热性能均增强。开缝翅片的换热性能显然比平直翅片要好，且开缝位置不同，整个翅片的换热性能也不同。翅片下游开缝比上游开缝换热性能更好，全局开缝换热性能最好。

图6给出了进出口压降随流速的变化关系。

图6 进出口压降随流速的变化关系Fig.6 Change of pressure drop of inlet and outlet with velocity

分析可知：随着入口流速的增大4种翅片压差均增大，且3种开缝翅片的压降比平直翅片大得多，从而导致沿程阻力增加。压降和阻力的大小关系到选取风机的功率。因此，在实际应用中应在考虑加强换热特性的同时考虑能耗的影响，合理制定优化方案。

3 结论及建议

通过对不同形式翅片管换热单元的三维数值计算可知：对翅片进行开缝能够有效提高翅片管的换热性能，从场协同原理角度分析可知，开缝翅片可以有效的强化传热。且下游开缝比上游开缝换热效果好，全部开缝换热效果最好。随着入口速度的增大4种翅片换热量明显增强，说明入口速度的增加也可以增强换热效果，但压力损失较大，所以在设计开缝的同时应该考虑增大风机功率所带来的负面影响。

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Numerical Study on Three-Dimensional Flow Heat Transfer Characteristics of the Slot Fin Heat Exchanger

LU Qin-li1，XIONG Xin-qiang2，MA Gui-yang1，DU Ming-jun 2 CHEN Peng-peng3
(1.College of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China；2.China Petroleum Engineering Co., Ltd. North China Company，Hebei Renqiu 062552，China；3.China National Electric Apparatus Research Institute，Guangdong Guangzhou 510860，China）

The physical model and mathematical model of slot fin heat exchanger three-dimensional flow heat transfer were established, and some numerical calculations on heat transfer units with different slot locations were carried out.Influence of different inlet velocities on heat transfer characteristics was analyzed with the field synergy principle. The results show that slot on the fin can effectively improve heat transfer performance and heat transfer enhancement of finned tube, and the heat transfer effect of the upstream slot is better than the downstream slot, the best heat transfer effect is all upstream slot and downstream slot. With increase of inlet velocity, heat exchange capacity of four fins heat exchanger significantly increases, to increase inlet velocity can also improve heat transfer efficiency ，but pressure loss is bigger. The calculation results can provide some theoretical guides for the engineering practical application.

Fin heat exchanger ；Slot; Field synergy principle; Heat exchanger performance; Numerical study

TQ 021.3

A

1671-0460（2010）06-0706-03

2010-07-14

鹿钦礼（1977—），男，讲师，硕士，吉林白城人，研究方向：主要从事计算流体力学和传热的研究。E-mail：luqinli@126.com。