热管蒸发器烟气侧换热性能数值分析

刘艳会 ， 吴金星 ， 王明强 ， 王 超 ， 许 克

(郑州大学 化工与能源学院节能技术研究中心 ， 河南 郑州 450001)

热管蒸发器烟气侧换热性能数值分析

刘艳会 ， 吴金星*， 王明强 ， 王 超 ， 许 克

(郑州大学 化工与能源学院节能技术研究中心 ， 河南 郑州 450001)

针对热管蒸发器内烟气侧的流动和传热问题，建立三维几何模型，采用数值模拟的方法研究了不同雷诺数下翅片螺距、翅片高度、管间距等因素对螺旋翅片管束传热和阻力特性的影响。结果表明：在研究范围内,随着翅片螺距的增大，螺旋翅片管的传热性能增强；随着翅片高度和管间距的增加，螺旋翅片管的传热性能减弱。随着翅片高度的增加，螺旋翅片管的阻力增大，随着翅片螺距和管间距的增大，螺旋翅片管的阻力性能减弱。研究发现，在所选用的翅片尺寸范围内，当螺距为10 mm、翅片高度为5 mm、管间距为55 mm时综合换热性能最佳。

热管蒸发器 ； 螺旋翅片管 ； 传热特性 ； 阻力特性 ； 数值模拟

基于空气源热泵技术回收烟气余热的系统中，一般蒸发器采用普通的翅片管式换热器，蒸发器内的制冷剂与烟气仅隔一层薄薄的铜管壁，管壁一旦发生腐蚀会造成制冷剂泄漏，烟气污染，从而导致热泵系统不能正常工作[1]。为解决此问题，本文提出了一种新型热管蒸发器，将新型热管用于烟气和热泵制冷剂之间。

新型热管蒸发器的烟气侧热管表面采用螺旋翅片，长期以来，国内外学者对螺旋翅片管束换热器的传热和阻力性能进行大量研究，由于烟气冲刷螺旋翅片管束时其流动状态的复杂性，以及研究对象和研究条件的限制，其传热和阻力特性的结果差异较大，且研究变量单一，针对该新型热管蒸发器需要进一步研究其螺旋翅片管束的传热和阻力性能[2-10]。

1 新型热管蒸发器开发

新型热管蒸发器的具体结构如图1所示。该新型热管蒸发器采用重力热管作为蒸发器的主要传热元件，采用竖直布置，每根热管的蒸发段外侧加装螺旋翅片，热管的冷凝段放置于一端带椭圆形封头的圆筒体中，圆筒体的另一端采用方形平板进行密封，在圆筒体内充入制冷剂，使圆筒体及热管冷凝段构成满液式蒸发器。蒸发器运行时，烟气进入烟箱，由热管蒸发段吸收烟气的显热及烟气中水蒸气所含的潜热，热管内的工质吸热后在冷凝段放热，将热量传给圆筒体内的制冷剂，制冷剂由液体变成蒸汽。

图1 新型热管蒸发器具体结构示意图

2 热管蒸发器烟气侧数值模拟

2.1 几何模型及边界条件

本文对新型热管蒸发器的烟气侧流动换热分析，由于烟气侧的热管数量较多，且热管表面有较密集的翅片，在网格划分和计算机运算求解过程中有诸多不利。考虑到计算机软硬件的限制，对部分换热器建立计算模型，从计算机的计算效率和换热器的对称性方面对实际物理模型进行简化。简化后的带翅片热管的几何模型如图2(a)所示。

图2 带翅片热管的几何模型及边界条件

模型的边界条件设定如图2(b)所示，入口采用速度进口，烟气的速度为3 m/s，进口处烟气的温度为79.85 ℃；出口边界为压力出口，出口处烟气的温度为39.85 ℃；翅片表面设置为固壁边界，设置管壁及翅片表面为无滑移边界，其表面的温度设定为29.85 ℃；模型四周表面为对称边界[11-12]。

2.2 数值计算方法

该模型采用Fluent软件的SIMPLE算法，采用强化壁面函数方法对壁面进行处理，连续方程、动量方程和能量方程的离散均采用二阶迎风格式。收敛准则为：连续方程、动量方程迭代结果的相对残差<10-4，能量方程的相对残差<10-6。

2.3 模拟结果及性能分析

新型热管蒸发器的设计工况及翅片管的参数如表1所示。

表1 运行工况及翅片管结构参数

2.3.1 翅片螺距对换热性能和阻力特性的影响

为了考察翅片螺距对换热器换热性能的影响，在高频焊翅片管常用的翅片螺距范围内选取4组螺距值，分别为3.5、5、7 mm和10 mm，在翅片的其他参数相同的情况下，分析在不同烟气入口速度(以下实验以流体的雷诺数来表征)条件下，不同翅片螺距对传热和阻力特性的影响。

结果如图3所示。

图3 不同翅片螺距(L)对传热性能和阻力特性的影响

由图3(a)可以看出，在相同的雷诺数下，努塞尔数(Nu)随着翅片螺距的增加而增大。这是因为翅片螺距增大，翅片的扭曲度增大，烟气掠过翅片后产生更强的扰动，增强烟气在蒸发器内的湍流程度，使烟气内部混合换热能力增强；另一方面，螺距增大会使翅片倾斜方向与烟气来流速方向的夹角增大，导致烟气对翅片的冲刷更加剧烈，使热边界层厚度减小，从而降低传热热阻，强化换热效果。

由图3(b)可看出，四种不同螺距翅片管的欧拉数(Eu)随着雷诺数的增大而逐渐减小，并趋于平坦；在相同的雷诺数下，随着翅片螺距的增加，阻力逐渐减小。这是因为翅片螺距增大，使基管单位长度上的翅片数减少，且翅片间距增大，流体绕过翅片时受到的阻碍相对减少，从而使蒸发器内管束的阻力减小。

图4为不同翅片螺距的综合性能与雷诺数的关系。雷诺数在10 000左右时综合传热性能指标(传热因子j与摩擦因子f比值，j/f)达到最大值，说明不同螺距的翅片管换热器存在着最佳烟气入口速度使其综合传热性能最优。同一雷诺数下，随着翅片螺距的增大，j/f值也会增大。在所选的翅片中，螺距为10 mm的翅片综合性能最优。

2.3.2 翅片高度对换热性能和阻力特性的影响

为了考察翅片高度对换热器的换热性能的影响，选取翅片高度值分别为5、7、8、10 mm，在翅片其他参数相同的情况下，分析在不同烟气入口速度条件下，不同翅片高度对传热和阻力特性的影响，结果如图5所示。

图5 不同翅片高度(h)对传热特性和阻力特性的影响

由图5(a)可看出，无论哪种高度的翅片，其努塞尔数(Nu)随着雷诺数的增大而呈现增加的趋势，雷诺数越大，换热器的传热效果越好。在相同的雷诺数下，随着翅片高度的增加，努塞尔数呈现减小的趋势，说明在所选翅片高度的范围内，翅片越高对传热性能越不利。这是因为增加翅片高度虽然可以增大单位长度翅片管的传热表面积，但翅片高度过大会引起翅片径向的热阻增加，导致翅片的效率降低。

从图5(b)可知，同一雷诺数下，随着翅片高度的增大，欧拉数(Eu)也逐渐增大，说明翅片高度越高，换热器的进出口压力损失越大。当基管间距和螺距一定时，增加翅片高度会使单位空间内烟气的流通空间减小，烟气在流动过程中受到翅片更大的流动阻力，致使翅片越高，烟气的压力损失就越大。

图6 翅片高度(h)对j/f的影响

图6为翅片高度对换热流动综合性能的影响。四种不同高度翅片的j/f随着雷诺数的增加呈现先增大后减小的趋势，雷诺数在10 000左右时，j/f达到最大值，说明不同翅片高度的换热器都存在着最佳烟气入口速度，使其综合传热性能最优。同一雷诺数下，随着翅片高度的增大，j/f值会减小。从换热流动综合性能评价指标可以看出，在所选翅片高度范围内，高度为5 mm的翅片综合性能最优。

2.3.3 管间距对换热性能和阻力特性的影响

为了考察管间距对换热器的换热性能的影响，选取管间距值分别为41、50、55、60 mm，在其他参数相同的情况下，分析在不同烟气入口速度条件下，不同管间距对传热和阻力特性的影响，结果见图7。

由图7(a)可以看出，在相同雷诺数下，随着管间距的增加，努塞尔数(Nu)呈现减小的趋势，说明增大管间距不利于翅片管换热器的传热。

图7 管间距(l)与传热性能和阻力特性的关系

由图7(b)可看出，随着雷诺数的增大，阻力系数欧拉数(Eu)逐渐减小。同一雷诺数下，随着管间距的增大，欧拉数越小，即阻力越小，这是因为管间距增大，管子布置稀疏，对烟气的流动干扰小，阻力也就小。

图8 管间距(l)对j/f的影响

图8为不同管间距对流动换热综合性能的影响。四种不同管间距对应的j/f值随着雷诺数的增加呈现先增加后减小的趋势，雷诺数在10 000左右时j/f达到最大值，说明不同管间距的换热器都有最佳烟气入口速度使其综合传热性能最优。同一雷诺数下，随着管间距增大，j/f值逐渐增大，说明管间距越大，换热器的综合传热性能越好。在所选管间距范围内，管间距值为55 mm的翅片综合性能最优。

3 结论

①在相同雷诺数的条件下，随着螺距的增大，努塞尔数增大，阻力随着螺距增大而减小，考虑到换热器的紧凑性，不能一直增加翅片螺距来提高换热器的传热性能；②在相同雷诺数的条件下，随着翅片高度的增加，努塞尔数呈现减小的趋势，说明在所选翅片高度的范围内，翅片越高对传热性能越不利。同一雷诺数下，阻力随着翅片高度的增大而增大，说明翅片高度越高，换热器的进出口压力损失越大。③在相同雷诺数的条件下，随着管间距的增加，努塞尔数呈现减小的趋势，说明增大管间距不利于提高翅片管换热器的传热性能，随着管间距的增大，阻力越小。④综合分析在不同烟气入口速度下，翅片螺距、翅片高度、管间距对螺旋翅片管束传热和阻力特性的影响，当雷诺数在10 000左右时综合传热性能达到最优，其所对应的翅片参数为：螺距为10 mm、高度为5 mm、管间距为55 mm。

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Numerical Analysis of Heat Transfer Performance in Flue Gas Side of Heat Pipe Evaporator

LIU Yanhui ， WU Jinxing ， WANG Mingqiang ， WANG Chao ， XU Ke

(Research Center of Energy-saving Technology of School of Chemical and Energy Engineering , Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, China)

A three-dimensional geometric model is built based on the problems about flow and heat transfer in the flue gas side of heat pipe evaporator.The heat transfer and resistance characteristics of spiral fin tubes with different pitches,fin height and tube pitch spacing under different reynolds number.The results show that the heat transfer of spiral fin tube increases with fin pitch increasing and decreases with fin height and tube pitch spacing increasing.The spiral fin tube resistance increases with fin height increasing and decreases with fin pitch and tube spacing decreasing.For all the parameters study,the best thermal performance of heat pipe evaporator is achieved with the pitch is 10 mm,fin height is 5 mm,tube pitch spacing is 55 mm.

heat pipe evaporator ; spiral fin tube ; heat-transfer characteristic ; resistance characteristic ; numerical simulation

2016-10-08

河南省重点科技攻关项目(132102210406)；郑州市科技攻关项目(141PPTGG410)

刘艳会(1990-)，女，硕士研究生，从事强化传热的研究工作，电话：13673977871；联系人：吴金星(1968- )，男，教授，博士，从事强化传热及节能技术研究工作，E-mail: wujx@zzu.edu.cn。

TQ050.2

A

1003-3467(2017)01-0021-04