纵翅片结构形式对管换热器性能的影响

江乐新，黄明登，范国荣

（中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083）

纵翅片结构形式对管换热器性能的影响

江乐新，黄明登，范国荣

（中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083）

提出了一种可改善换热效率的百叶窗式纵翅片换热管的结构模型，对其进行简化，采用Fluent软件对换热管烟气侧流动与传热过程进行数值模拟，对比了两种百叶窗纵翅片与普通纵翅片的换热效率与压降，结果发现:百叶窗式纵翅片传热效果比普通纵翅片高130%以上。模拟了6组不同流体入口速度下传热与压降的变化情况，分析了百叶窗翅片间距与倾斜角度对传热与压降的影响，结果表明:入口速度越大，进出口温差越小，压降越大；翅片间距越大，进出口温差和压降都越小；翅片倾斜角度越大，换热效果相差不大，压降越大。搭建了简易实验平台对模拟结果进行验证。

纵翅片换热管；百叶窗；烟气侧；数值模拟

管式换热器作为一种高效率的换热元件被广泛用于冶金、石油、化工、能源等行业的烟气余热回收工程，其最大特点是结构形式多样，换热效率高，其结构形式多样性主要体现在翅片的结构多样性，目前使用最多的是圆形翅片管换热器[1]，如图1所示。

图1 圆形翅片管换热器

圆形翅片管换热器由于管翅分布密集程度高而具有很高的换热效率，在用于工业烟气余热回收时，由于烟气杂质颗粒较大，与翅片直接碰撞接触，常常出现污垢堵塞、清理困难、使用寿命短等问题。近几年一种翅片沿空气流动方向布局的纵翅片管换热器开始应用于余热回收，其翅片结构形式如图2所示。

纵翅片管换热器中气流沿翅片方向流动，克服了污垢堵塞问题，且前后通透性较高，清洗方便，但是此种换热器由于空气直接流过翅片，气流多数情况下处于层流状态，缺少气流的扰动传热过程，使得其换热效率不够理想。

针对此问题，本文提出一种新型的纵翅片管换热器，将具有高换热效率特点的百叶窗结构应用于纵翅片管结构。这种设计思想源于前人对百叶窗翅片与纵翅片结构的研究。

关于百叶窗结构的研究，国内外学者做了大量的工作，王任远等[2]建立了散热器空气侧的百叶窗翅片三维流固耦合模型并对其进行模拟，得到了一组综合性能较好的翅片结构参数。朱询[3]、田晓虎[4]与Malapure[5]等研究结果相对较为一致，都针对翅片间距、百叶窗间距、百叶窗角度和翅片宽度的影响做了研究。他们认为：增加翅片间距会使的压力损失减少但却不利于换热，且这一影响会随着雷诺数的增加变得更明显。

在纵翅片换热器的研究领域中，邱燕等[6]对对流换热器进行了研究，分析了封闭空间内纵向外翅片结构参数与对流传热之间的关系，封闭式对流换热管如图3所示。研究找出了翅片管散热量最大时的翅片夹角值，并获得了竖直纵向外翅片管的自然对流换热准则关系式，拟合准则式与计算结构偏差平均为3.53%。然而这种结构的对流换热效率依然较低，难以应用于烟气余热回收工程中。

本文提出的新型百叶窗式纵翅片换热器能有效解决纵翅片管换热效率低的问题，采用数值模拟方法对百叶窗式纵翅片结构进行了分析，旨在找出最佳结构参数并分析其与传热与流动性能之间的关系，为这种新型的换热器提供理论依据。

图2 纵翅片管换热器

图3 封闭式纵向翅片管

1 数值模拟

1.1 物理模型的建立及简化

本文提出的百叶窗式纵翅片是普通纵翅片与百叶窗结构的结合体，如图4所示。

图4(b)、(c)中百叶窗式纵翅片围绕基管共12排，每排有多根细小翅片呈沿基管轴向倾斜一定角度排列，与平行流百叶窗类似。Lyman[7]、Suga[8]和Aoki[9]等建立了百叶窗的二维模型，并采用Fluent进行数值计算得出百叶窗倾斜角度在20°～30°之间时换热效率最高，故本模型中翅片与基管轴线夹角取30°。由于基管上的12排翅片具有一致性，故可将模型简化为对一排翅片的数值模拟，本研究选取烟气侧一排翅片，并忽略圆周弧度对模型的影响，建立如图5所示的百叶窗纵翅片模型。

1.2 计算模型

建立的模型在烟气侧z轴方向具有一致性，而又是对百叶窗翅片对空气流动及换热特性的研究，故可将模型再一次进行简化，将z轴方向简化成一个面，上述三维模型变成了二位模型，且模拟结果不会受到影响。文中的二维计算模型主要结构参数初始值如图6和表1所示。

1.3 控制方程

图4 百叶窗纵翅片对比

图5 百叶窗纵翅片基本物理模型

图6 百叶窗纵翅片2D计算模型

表1 百叶窗纵翅片模型参数

连续性方程

动量守恒方程

能量守恒方程

式中，u、v分别为x、y方向上的速度分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；μ为流体黏性系数，kg/(m·s)；p为流体内部压力，Pa；cp为流体比热容，J/(kg·K)；λ为流体的传热系数，W/(m·K)；T为流体温度，℃。

1.4 边界条件

简化后的二维模型如图6所示，左侧为速度入口边界，取值3.4m/s，温度453K，由于出口速度与压力未知，故采用自由出口边界，上下面为周期性边界，翅片材质为铝，传热系数为166W/(m2·k)。

2 结果与分析

2.1 不同形式翅片流动特性对比

图7为相同入口温度和速度流经3种翅片的流动特性图。从图7中可以看出，设定入口为速度入口时，流经3种不同形式的翅片管速度没有降低，反而升高，这是因为入口速度及流量一定时，当通道横截面突然变窄使得气流积聚通过，流速上升。尤其是在百叶窗附近速度梯度较大位置，边界层最薄，有利于增加对气流的扰动，换热更为充分，3种形式中，c类型内部速度梯度变化最大，扰度程度最大，b类型次之，a类型最小。

从Fluent后处理中的Report中得出数据进出口压降的变化，a类型为5.82Pa，b类型为50.95Pa，c类型为59.60Pa，可见百叶窗纵翅片的压降要远远大于普通纵翅片，这是因为百叶窗增加了翅片对空气的扰动，增加其换热效率的同时也增加了了压降。

图8为温度云图。从图8中较为明显地可以看出，b类型、c类型两种百叶窗纵翅片出口温度明显要低于普通纵翅片，但b类型、c类型哪种形式的百叶窗传热效果更好从图中几乎看不出来，还需通过数据比较。从Report中得出数据，当3种翅片入口温度均为453K时，a类型出口温度平均温度为423.36K，b类型为384.23K，c类型为382.28K，由此可见c类型百叶窗翅片传热效果要略好于b类型，两者传热效果远高于普通纵翅片a类型，分别高出132.02%与138.60%。

图7 速度云图

2.2 流速对流动与传热的影响

选取c类型纵翅片作为研究对象来分析流速对流动与传热的影响。设定入口速度分别为1.0m/s、1.8m/s、2.6m/s、3.4m/s、4.2m/s、5.0m/s共6组进行模拟，气流沿模型流通过程主要是通过翅片进行热量传输，因此，可以将进出口温度差作为衡量其传热性能好的好坏，对进出口压差可以作为其流动特性的优良衡量标准。图9和图10分别为c类型百叶窗纵翅片在不同入口速度下的进出口温差图和压降图。

从图9、图10可以看出，入口速度对进出口温差和压降的影响都很大，进出口温差随着入口速度的增大而降低，这是因为气体流速越大，有限时间内换热不够充分，造成换热量降低。进出口压差随着入口速度增大而增大，速度为5.0m/s时压降是速度为1.0m/s时的10倍，这是由于当速度过大，气流分子与翅片的碰撞越激烈，动能减小，压降增大，同时，气体分子与翅片的碰撞使气流扰动程度增加，故换热效率增加，进出口温差增大。

2.3 纵翅片结构参数对流动与传热效果的影响

2.3.1 百叶窗翅片间距对流动与传热效果的影响

百叶窗翅片间距决定了翅片的密集程度，而密集度的高低对流动及换热有很大的影响，图11是当入口速度为3.4m/s时，几组不同翅片间距的进出口温差与压降图。

图8 温度云图

从图11中可以看出，随着翅片间距的增大，进出口温差程直线下滑状态，翅片间距越大，出口温度也越大，单位时间内带走的热量减小，换热效率下降，这是因为翅片间距的增加减小了对气流的扰动程度，对流换热不够充分所致。

当入口速度在3.4m/s时，进出口压降翅片间距变化图如图12所示。从图12中可以看出，进出口压降随翅片间距增大而减小，且变化幅度较大，说明翅片间距对压降影响很明显，这是因为翅片间距的大小决定气流扰动程度，间距越大扰动程度越小，压降减小。

2.3.2 百叶窗翅片倾斜角度及长度对流动与传热效果的影响

为保证纵翅片管周向翅片组数一直，翅片管周向每排翅片空间宽度H值保持不变，每根翅片管排数也就不变。研究百叶窗倾斜角度对流动及换热的影响时，取La为22°、26°、30°、34°共4组，入口温度设定为453K，入口速度为3.4m/s，进出口温差、压降与百叶窗翅片倾斜角度的关系模拟结果如图13、图14所示。

从图13中可以看出，在百叶窗翅片倾斜角度在22°～30°时，进出口温差差别不大，幅度在5K内。从图14中可以看出，进出口压降随百叶窗翅片倾斜角度增加而增大，这是因为当La增大，翅片横截投影长度也增大，在流体流动方向的阻力也越大，压降随之增大。当La高于30°后，压降增加幅度急剧上升。综合换热效果的影响，翅片倾斜角度在22°～30°之间时，传热效果差不多，但压降值处于较低水平，综合性能达到最佳，这与Lyman[7]研究普通百叶窗传热性能达到最佳值时，百叶窗翅片倾斜角度在20°～30°之间的结果相吻合，也说明了纵翅片百叶窗的散热性能与普通尺寸百叶窗散热性能有一定程度的相似度。也可以得出结论，纵翅片百叶窗设计过程要根据实际烟气参数进行，找到合适参数使传热效率与压降达到平衡，获得换热器的最佳效果。

图9 进出口温差随入口速度变化关系

图10 进出口压降随入口速度变化关系

图11 进出口温差随翅片间距变化

图12 压降随翅片间距变化

图13 温差随翅片倾斜角度变化

图14 压降随翅片倾斜角度变化

2.4 模拟结果验证

为验证普通纵翅片换热器与百叶窗纵翅片换热器的换热效果差异，搭建了如图15所示的烟气余热回收简易实验平台。

实验平台中用热风炉代替高温热炉，输出温度为453K的高温热气，通过纵翅片管与低温自来水逆向而行，进行换热。由于实验条件有限，本实验在换热器处只采用单根纵翅片管进行实验室，虽然会影响换热效率的大小，但对换热效果的优劣比较结果与实际一致。

实验在烟气与低温自来水的出入口收集温度数据，出口烟气温度与自来水温度随烟气入口速度变化的曲线图如图16、图17所示。

在烟气入口温度、速度等条件完全相同的情况下，流经不同类型纵翅片的烟气出口温度不同，如图16所示，c类型的百叶窗换热管出口温度最低，说明换热效果最佳，b类型的效果较c类型略差，a类型最差，这与模拟结果完全一致。图17中的数据曲线与图16相呼应，出口温度越低，表明换热进行地越充分，热量传入低温自来水使其温度升高。从图17中也可以看出，c类型的百叶窗换热效果最好，自来水温度出口温度最高，b类型其次，a类型最差，3种纵翅片管换热器效果对比结果与模拟结果一致。

实验平台测出的温度数据不能代表纵翅片换热器产品的实际效果，这是由于实验条件所限，一部分热量会通过管壁散发，单根换热管效果必然差于由多根换热管组成的纵翅片换热器。但是，本研究旨在对比3种不同类型的纵翅片换热效果，所以，实验结果具有很强的参考价值，结果充分验证了前文模拟结果的正确性。

图15 不同纵翅片管换热器对比实验系统

图16 烟气出口温度随入口速度变化关系

图17 自来水出口温度随烟气入口速度变化关系

3 结 论

（1）为比较不同类型翅片对流动及换热性能的影响，可将三维模型简化为二维，模拟结果表明百叶窗纵翅片比普通纵翅片换热性能要高出130%以上，但压降也随之大大增加。c类型百叶窗换热器换热能力最好。

（2）分析了在6组不同气流入口速度时，换热效率和压降的变化情况，结果表明，入口速度越大，进出口温差越小，压降呈趋近指数函数曲线增加，气流入口速度为5.0m/s时的压降是1.0m/s时的近10倍。

（3）模拟了百叶窗的翅片间距与翅片倾斜角度对换热与压降的影响，结果发现翅片间距对换热效率的影响要大于翅片倾斜角度。翅片间距越大，气流进出口温差越小，压降也越小。百叶窗翅片倾斜角度在22°～30°范围内对换热效率影响变化不大，出口温度相差在5K以内。百叶窗翅片倾斜角度越大，进出口压降也越大，当倾斜角度超过30°时，压降增加幅度大幅提升。

[1] 王巧丽. 余热回收翅片管换热器传热与流体力学特性研究[D]. 广州：华南理工大学，2010.

[2] 王任远，李建雄，吴金星. 散热器空气侧百叶窗翅片结构参数优化[J]. 流体机械，2013，41（6）：74-78.

[3] 朱询，廖强. 管带式汽车散热器流动阻力与传热性能分析[J]. 重庆大学学报：自然科学版，2002，25（8）：40-43.

[4] 田晓虎，李隆键，童明伟，等. 车用百叶窗翅片式热交换器空气侧性能的CFD研究[J]. 天津理工大学学报，2007，23（2）：63-66.

[5] Malapure V P，Sushanta K，Bhattacharya A. Numerical investigation of fluid flow and heat transfer over louvered fins in compact heat exchanger[J].International Journal of Thermal Sciences，2007，46（2）：199-211.

[6] 邱燕，田茂诚，冷学礼. 封闭空间内纵向外翅片管结构参数对传热的影响[J]. 化工学报，2007，64（7）：2405-2410

[7] Lyman A C. Scaling of heat transfer coefficients along louvered fins[J].Exper. Therm. Fluid Sci.，2002，26：574-563.

[8] Suga K，Shingawa T. Numerical analysis on two-dimensional flow and heat transfer of louvered fins using overlaid grids[J].JSME Int. J. Ser.，1990，33：120-127.

[9] Aoki H，Shinagawa T，Suga K K. An experimental study of the local heat transfer characteristics in automotive Louvered fins[J].Experimental Thermal and Fluid Science，1989，2：293-300.

Influences of heat exchanger with different types of longitudinal louver fin on heat recovery performances

JIANG Lexin，HUANG Mingdeng，FAN Guorong
（Mechanical Department of Central South University，Changsha 410083，Hunan，China）

Longitudinal finned tube heat exchanger is a new type of tube heat exchanger used in flue gas heat recovery. In order to improve the heat transfer efficiency，the structural model of a new type of longitudinal louvered fin tubes was proposed and simplified. Using Fluent Software，the process of flow and heat transfer in gas phase was simulated for the longitudinal louver fined heat exchangers，and the transfer efficiency and pressure drop of two types of longitudinal louver fin and the common type exchanger were compared. The results showed that the heat transfer efficiency of longitudinal louvered fin heat transfer were over 130% higher than that of the common type. This paper simulates the changes of transfer and pressure drop at six different inlet velocities，and analyzed the influences of heat transfer and pressure drop caused by the difference of spacing and inclination angles on longitudinal louver fin. The results showed that at higher inlet velocities， the range of temperature was smaller，and the pressure drop was bigger. At bigger spacing the range of temperature and pressure drop were both smaller. Bigger inclination angles resulted in bigger pressure drop，but had little impact on heat exchange effects.

longitudinal fin transfer；louver fin；in sides of gas flow；numerical simulation

TK 124

A

1000-6613（2014）08-1963-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.004

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-17。

湖南省科技重大专项项目（K0904031-11）。

及联系人：江乐新（1959—）女，副教授，主要从事绿色制造、能源高效利用技术及装备的研究。E-mail csjlx9sina.com。