开缝翅片管式换热器的换热与流动特性数值模拟

张小青

摘要：翅片管换热器是一种高效换热器，为了进一步强化换热，对翅片换热器进行不同形式的开缝。采用CFD模拟方法对七种不同开缝形式的翅片管换热器流动和换热进行了数值模拟。根据计算结果分析了不同开缝形式换热器的压降和温度分布，经过比较分析，最终确定了最佳的开缝形式。

关键词：翅片管式换热器;强化换热;开缝;CFD模拟

中图分类号：TK     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）05-0283-02

一、前言

随着科技、工艺的发展和能源的短缺，工业对换热器的依赖性越来越大，要求换热器设备紧凑、高效、轻巧，这促使人们去研究新型高效换热器，其中翅片管换热器是人们研究得最多的高效换热器之一。经过多年的发展，翅片管换热器的管外翅片由无缝平直翅片发展成波纹翅片、百叶窗式翅片、开孔翅片，开缝翅片等多种高效形式。相关学者对开缝翅片进行了一些研究。蒋翔、李晓欣等人分析了在不同应用条件下翅片管的应用情况，并给出了应用结果，为翅片管换热器的应用方法提供了借鉴[1];徐百平、吴清鹤等人建立了双缝翅片管翅式换热器三维物理模型，对换热器内的流动与传热进行了数值模拟研究。结果表明，双缝片可使传热提高22.7%～42%[2];Ju-Suk B、Jinho L等人通过安排翅片位置和改变翅片特性来研究翅片造成的压力降和传热特性，分别研究了百葉窗式翅片、双边开缝翅片、单边开缝翅片和无缝翅片的JF因子[3]。本文主要是通过对翅片管换热器进行模拟计算，研究其开缝形式和开缝大小对流动和换热性能的影响，最终确定合适的开缝翅片形式。

二、翅片管换热器模型的建立与计算

1.确定模型。本文所研究是某款空调室外机所用的翅片，所选用的翅片管式换热器初始结构参数如表1所示。

管束采用叉排形式，且成等边三角形分布，任一相邻两管的间距为25mm，管外径9.52mm，管壁厚1.2mm，翅片厚1mm，翅片间距为3mm。模型构建及数值模拟的部分如图1所示。

2.分析计算模型的类型。本文主要对五种翅片开缝形式的翅片进行模拟计算，包括无开缝形式、三角开缝形式、横条开缝形式、竖条开缝形式和横竖条混合开缝形式，如图2至图6。

3.定解条件的设设置。为了进行流体换热情况和流动阻力的模拟，选中Models中的能量方程求解器。设置管材料选为铜，其热边界条件设置为Coupled;设置翅片材料为铝，根据空调制冷量定管内热流量，热流密度为4483.64W/m2;设置进口为质量进口，进口流量为0.00030625kg/s，空气进口温度为293K。采用标准k-ε模型进行数值模拟，求解方法选用SIMPLE方法，依次对各个模型进行数值模拟，计算至收敛，最后保存项目。

三、分析计算结果

在计算结果收敛的基础上，对其中形式的翅片形式进行换热与流动的分析。各形式翅片的模拟结果如下：

平滑无缝翅片，压降为25.962Pa，管壁温度为300.89K;三角形开缝翅片，压降为25.141Pa，管壁温度为298.57K;横条开缝翅片，压降为37.891Pa，管壁温度为297.63K;竖条开缝翅片，压降为24.814Pa，管壁温度为297.83K;横竖结合的开缝，压降为32.936Pa，管壁温度为297.69K。

1.各种开缝方式的换热情况对比。从模拟结果不难看出，由于翅片开缝，对空气流动的边界层有所破坏，换热效果都得到了不同程度的加强，相比无缝翅片，其管外壁温度都有明显的降低。三角形开缝翅片的换热效果不如条形开缝效果好;横条开缝形式的换热效果和竖条开缝形式换热效果比较接近。

2.横条开缝方式和竖条开缝方式的对比。从模拟结果的数据可以看出，当空气经过横条开缝时，具有较大的压力降，说明横条开缝较竖条开缝对空气流动产生的阻力更大。横条开缝方式的管道的迎风面处的压力梯高于竖条开缝方式。这也是横条开缝方式的压力降高于竖条开缝方式的原因之一。同时也证明了管间的竖条开缝，具有一定的导流作用，能一定程度上降低空气对后排管排的冲刷作用，分散冲向后排管排的空气。

而横竖结合的开缝方式，其两管排间的横向开缝又影响了这种导流作用，使得换热器的压力降较单纯的竖条开缝又有所升高。但是从数据对比上来看，它还是比单纯的横条开缝的方式具有更小的压力降，说明这种导流作用还是起到一定效果的。

3.无缝翅片、三角形开缝翅片以及竖条开缝翅片的研究。从研究得知三角形开缝和竖条开缝方式的进出口压降甚至比无缝翅片所造成的压降还要低。这是因为无缝翅片换热器的压降主要是由于叉排管束间空气流动方向变化产生的局部阻力。

三角形开缝方式和竖条开缝方式，使空气在到达管道迎风面前产生一个导流作用，分散了空气，减弱了空气对管道的冲刷。从总体来看，反而这两种开缝方式产生了更小的阻力压降，并且还加强了空气的换热。

四、结论

（1）横条开缝较竖条开缝方式具有较大的压力降，对换热效果的提高程度高于竖条开缝，但是提升效果有限，总体上看，还是竖条开缝方式最佳。

（2）竖条开缝和三角形开缝方式具有一定的导流作用，能减小后排管排迎风面处的压降，从而降低整个换热器的压降。

（3）推荐选择的最佳翅片开缝方式为竖条开缝方式。

参考文献：

[1]蒋翔，李晓欣，朱冬生.几种翅片管换热器的应用研究[J].化工进展，2003，22（2）：183-186.

[2]徐百平，吴清鹤，江楠等.双缝翅片管式换热器传热与流动数值模拟研究[J].化工装备技术，2007，28（2）：42-47.

[3]Ju-Suk B，Jinho L&Chang-Duk J，et al.A study on airside performance of geometry combination fins using large scale model[J].International Journal of Refrigeration.2006，12：1034-1042.