进风角度对椭圆管翅式换热器流动性能的影响

2017-09-03唐凌虹杜雪平

动力工程学报 2017年8期

唐凌虹，杜雪平，曾敏

(1.西安石油大学机械工程学院，西安 710065； 2.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州 221116； 3.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，西安 710049)

唐凌虹1，杜雪平2，曾敏3

基于多孔介质模型，对两排椭圆管翅式换热器实验元件在不同进风角度(30°、45°、60°和90°)下的流动性能进行了数值模拟，并与实验结果进行对比，研究了不同进风角度下换热器迎风面气流速度的分布.结果表明：在进风角度测试范围内，随着进风角度的减小,换热器流动阻力损失增大；不同进风角度时总压差Δp计算结果与实验结果的差别均小于7%；进风角度为90°时两相邻椭圆管间通道速度分布最均匀.

椭圆管翅式换热器；进风角度；流动；多孔介质

随着水资源的日益匮乏以及全球对环境保护问题的高度重视，电厂传统的水冷方式因消耗大量水资源，且会对环境造成一定负面影响而面临着严峻挑战.相对于水冷方式，电厂空冷方式在节约水资源和保护环境等方面有着不可替代的优越性.在电厂空冷系统中，空冷换热器是一个重要元件，其最常用的结构类型是管翅式换热器，主要有单排扁平管翅式换热器、两排椭圆管翅式换热器和三排椭圆管翅式换热器[1].关于椭圆管翅式换热器的流动换热性能，前人已进行了大量研究[2-7].结果表明，增大换热管的椭圆率不但可以达到强化传热的目的，还可以明显降低翅片侧和空气侧的阻力损失，有效减少能源消耗.上述研究中流体流动方向一般垂直于换热器迎风面，但对于电厂空冷系统中的空冷换热器来说，大多数情况下空气进口方向一般不垂直于换热器迎风面，而是带有一定的夹角，因此有必要研究不同进风条件下管翅式换热器流动换热的性能.张鹏等[8]对不同进风角度下钢制椭圆管翅式换热器的流动换热性能进行了研究，结果表明，进风角度的增大对换热器空气侧传热系数的影响不大，而对流动阻力的影响较大.陈萍等[9]通过实验研究了不同倾斜角度下管翅式换热器的流动换热性能，结果表明传热系数受进风条件以及换热器倾斜角度的影响较大，同时换热器倾斜角度越大，压降越大.汪吉平等[10]通过数值计算方法研究了V形布置管翅式换热器的流动换热性能，结果表明适当地增大该换热器之间的角度，可以提高分布在换热器翅片表面空气流的均匀性，增强换热器的综合换热性能.Zhang[11]将板翅式换热器芯体等效为多孔介质模型，采用Fluent软件对不同进风角度下空气侧流动性能参数进行了计算，并与实验结果进行对比.Liu等[12]数值研究了不同进风角度对板翅式换热器空气侧的流动换热性能.关于不同进风条件下换热器的流动换热性能，还有一些研究成果可供参考[13-18].

换热器迎风面气流速度分布与换热器流动换热性能密切相关，但是针对椭圆管翅式换热器整体性能方面的研究较少.因此，笔者对不同进风角度下两排椭圆管翅式换热器的流动性能进行了实验和数值计算模拟，对进风角度的影响进行了分析，并对不同进风角度下换热器迎风面的气流速度分布进行了研究，为相关的工程应用研究和设计体系的完善提供理论参考.

1 实验装置及结果分析

1.1 实验装置及实验数据整理

本实验在吸风式风洞实验台上进行，实验元件的迎风面尺寸为600 mm×320 mm.空气吹入方向与实验元件的夹角为60°时，实验装置系统如图1所示，该系统由空气回路与水回路2部分组成，换热器流动性能测试(即冷态性能测试)只采用空气回路.

为了研究进风角度对空冷换热器流动性能的影响，本实验对进风角度θ为90°(空气垂直吹入换热器)、60°、45°和30° 4个角度下的换热器阻力性能参数进行了测量，实验元件位置如图2所示.实验中，将进风角度定义为空气来流方向与换热器迎风面的夹角，即空气来流方向与空冷换热器中的椭圆管短轴方向的夹角(见图3).

1-风洞入口；2-过渡段；3-收缩段；4-稳定段；5-实验段；6-稳定段；7- 收缩段；8-测速段；9-过渡段；10-风机；11-加热棒；12-水箱；13-阀门；14-水泵；15-涡轮流量计；16-数据采集系统；17-热电偶网；18-U形管差压计.

图2 换热器实验元件

实验元件椭圆管和翅片材料均为碳钢，翅片形式为矩形翅片，示意图见图4，结构参数见表1.

椭圆管当量直径Dc的表达式[19]如下：

(1)

式中：a为椭圆的长半轴长：b为椭圆的短半轴长.

空气侧的ReDc定义如下：

(2)

式中：umax为最窄截面流速，umax=ufr/σ，其中ufr为换

Fig.4 Schematic diagram of the two-row finned oval-tube heat exchanger

表1 实验元件结构参数

热器迎风面速度，σ为收缩比；ρ为空气密度；μ为空气动力黏度.

通过U形管差压计测出空气侧的压降，获得阻力数据，根据下式计算阻力因数f：

(3)

式中：L为流动方向翅片长度：Δp为换热器元件空气侧进出口的总压差.本实验所得的f的不确定度为7.3%.

1.2 实验结果及分析

不同进风角度下两排椭圆管翅式换热器空气侧阻力性能的实验结果见图5和图6.由图5和图6可知，在实验测试的ReDc范围或迎风面速度范围内，30°进风角度时实验元件的f和Δp最大，45°进风角度时次之，90°进风角度时最小.与进风角度为90°时的f相比，60°进风角度时f平均增大1.8%，45°进风角度时f平均增大9.9%，30°进风角度时f平均增大13.9%.这是因为当进风角度小于90°时，空气进入换热器时流动方向要发生改变，导致局部阻力损失增大，同时使得进入换热器的空气流动不均匀，进而使流动过程中沿程阻力增大.进风角度越小，这种影响越大，因此进风角度为30°时实验元件的阻力损失最大.

图5 不同进风角度下空气侧f实验结果的对比

图6 不同进风角度下空气侧Δp实验结果的对比

1.3 经验关联式拟合

考虑到换热器进风角度的影响，根据实验数据可拟合得到两排椭圆管翅式换热器实验元件的流动性能经验关联式为：

(4)

其中，ReDc适用范围为4 000～7 500，θ适用范围为30°～90°.

利用式(4)得到的f与实验结果进行对比(见图7)，其中下标e为实验结果，下标c为由经验关联式所得到的计算结果.从图7可以看出，所有f的误差都落在±6.7%以内.

图7 f实验结果与计算结果的对比

Fig.7 Comparison offfactor between experimental data and simulation results

2 数值计算结果及分析

2.1 数学模型及计算方法

流体在换热器内的流动性能可用基于多孔介质模型的数值方法来进行模拟，这方面已有很多成功应用[11, 20].多孔介质的控制方程与标准控制方程有所区别，但同样满足连续性方程和动量方程.

多孔介质连续性方程与标准连续性方程一样，这里不再赘述.多孔介质动量方程是在标准动量方程基础上附加动量源项而得到的[21]，源项由黏性阻力损失和惯性阻力损失2部分组成，可表示为：

(5)

式中：Si为i向动量源项；uj为j向速度分量;Dij为黏性系数；Cij为惯性阻力系数.

流体横掠流过管束时，即使整个进口的速度分布均匀，在管束背后仍然会出现漩涡，由于漩涡的形成，一部分能量消耗在漩涡的产生上，因此此时的流动阻力应考虑摩擦阻力和由于旋流所产生的形状阻力.Zhang等[22]对x、y和z方向上的流动阻力Rx、Ry和Rz进行了定义：

(6)

式中：U为合速度矢量；ξx、ξy和ξz分别为x、y和z方向上的压力损失系数，主要采用经验关联式定义多孔介质上的流动阻力，详细的计算方法见文献[22].

数值方法采用Ansys Fluent软件中的标准k-ε湍流模型，速度和压力的耦合问题采用SIMPLEC算法处理，对流项的离散格式为QUICK格式.计算区域的各边界条件为：入口边界为速度入口边界条件，出口边界假定流体流动达到充分发展，固体壁面均为Wall边界条件.采用Gambit生成结构化网格，图8为进风角度为60°时计算模型网格划分示意图，在计算之前对计算模型的网格无关性进行了考核，计算采用的网格数量为1 206 200.

图8 进风角度为60°时的模型网格

2.2 计算结果及分析

为了研究更多进风角度对换热器流动性能的影响，在进行数值计算时，将进风角度的范围增大为15°～90°.图9给出了进风角度为60°时,压力损失实验结果与计算结果的对比.图10为不同进风角度下换热器压力损失的计算结果.在迎风面速度计算范围内，由图6实验结果和图10计算结果可知，90°进风角度时实验结果与计算结果的最大偏差为6.8%，60°进风角度时最大偏差为4.6%，45°进风角度时最大偏差为5.3%，30°进风角度时最大偏差为5.4%，这表明计算模型和计算方法是可靠的.由图10可知，15°进风角度时Δp最大，30°进风角度时Δp次之，90°进风角度时Δp最小，这与实验结果是相符的.

图9 进风角度为60°时Δp实验结果与计算结果的对比

Fig.9 Comparison of Δpbetween experimental data and simulation results at air inlet angle of 60°

图10 不同进风角度下空气侧Δp计算结果的对比

Fig.10 Comparison of air-side Δpbetween experimental data and simulation results at different air inlet angles

图11给出了不同进风角度下空气平均迎风面速度为2 m/s时y=0截面的速度矢量图.由图11可知，随着进风角度的减小，空气流经换热器的流动不均匀度增大.

图12为不同进风角度下空气平均迎风面速度为2 m/s时两相邻椭圆管间通道平均速度的分布图，z=0对应换热器下部，z=1对应换热器上部.由图12可知，90°进风角度时两相邻椭圆管间通道速度分布最均匀，以z=0.5为中心对称分布，60°进风角度时两相邻椭圆管间通道速度分布对称性较差，但也比较均匀，随着进风角度继续减小，z方向上的速度分布均匀程度变差，导致空气流经换热器的阻力损失增大.由于换热器空气侧迎风面速度分布与换热性能，因此掌握不同进风角度时迎风面速度分布规律对换热器换热性能的设计尤为重要.

(a) 进风角度90°

(b) 进风角度60°

(d) 进风角度30°

(e) 进风角度15°

图11 不同进风角度时y=0截面速度矢量图(空气平均迎风面速度为2 m/s)

Fig.11 Velocity distribution at different air inlet angles ony=0 cross section (ufr=2 m/s)

图12 不同进风角度时z方向上的速度分布(空气平均迎风面速度为2 m/s)

Fig.12 Velocity distribution at different air inlet angles inzdirection (ufr=2 m/s)

3 结论

(1) 在实验测试的ReDc范围或迎风面速度范围内，30°进风角度时实验元件的阻力因数f和总压差Δp最大，45°进风角度时次之，90°进风角度时最小.

(2) 流体在换热器内的流动性能可用基于多孔介质模型的数值方法来进行模拟，不同进风角度时Δp计算结果与实验结果的差别均小于7%.

(3) 进风角度为90°时两相邻椭圆管间通道速度分布最均匀，以z=0.5为中心对称分布，随着进风角度的减小，z方向上的速度分布均匀程度变差.

[1] 卜永东, 杨立军, 杜小泽, 等. 电站空冷技术[J]. 现代电力, 2013, 30(3): 69-79.

BU Yongdong, YANG Lijun, DU Xiaoze, et al. Review of dry cooling technologies in power plants[J]. Modern Electric Power, 2013, 30(3): 69-79.

[2] KIM N H, LEE K J, JEONG Y B. Airside performance of oval tube heat exchangers having sine wave fins under wet condition[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 66(1/2): 580-589.

[3] HAN Hui, HE Yaling, LI Yinshi, et al. A numerical study on compact enhanced fin-and-tube heat exchangers with oval and circular tube configurations[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 65: 686-695.

[4] ZHAO X B, TANG G H, MA X W, et al. Numerical investigation of heat transfer and erosion characteristics for H-type finned oval tube with longitudinal vortex generators and dimples[J]. Applied Energy, 2014, 127: 93-104.

[5] LOTFI B, SUNDÉN B, WANG Qiuwang. An investigation of the thermo-hydraulic performance of the smooth wavy fin-and-elliptical tube heat exchangers utilizing new type vortex generators[J]. Applied Energy, 2016, 162: 1282-1302.

[7] 李飞, 史月涛, 孙奉仲. 椭圆H型翅片管管束阻力特性的试验研究[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(32): 34-39.

LI Fei, SHI Yuetao, SUN Fengzhong. Experimental research on resistance characteristics of H-type elliptical finned tube bundles[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(32): 34-39.

[8] 张鹏, 史佑吉, 高伟桐, 等. 进风角度对钢制椭圆翅片管散热器热力阻力特性的影响[J]. 热力发电, 1997(1): 19-21.

ZHANG Peng, SHI Youji, GAO Weitong, et al. Effect of air flow direction on heat transfer and resistance performance of elliptical finned tube heat exchanger[J]. Thermal Power Generation, 1997(1): 19-21.

[9] 陈萍, 晋欣桥, 杜志敏, 等. 不同进风条件下翅片管换热器传热和压降特性的实验研究[J]. 建筑热能通风空调, 2011, 30(5): 1-5.

CHEN Ping, JIN Xinqiao, DU Zhimin, et al. Experimental study on heat transfer and pressure drop characteristics of fin-tube heat exchangers under the different inlet air conditions[J]. Building Energy & Environment, 2011, 30(5): 1-5.

[10] 汪吉平, 任能, 吴振林. V形布置换热器性能优化[J]. 制冷与空调, 2013, 13(9): 35-37, 40.

WANG Jiping, REN Neng, WU Zhenlin. Performance optimization for Vee layout heat exchanger[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2013, 13(9): 35-37, 40.

[11] ZHANG Lizhi. Flow maldistribution and thermal performance deterioration in a cross-flow air to air heat exchanger with plate-fin cores[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(19/20): 4500-4509.

[12] LIU Zhiying, LI Hui, SHI Lin, et al. Numerical study of the air inlet angle influence on the air-side performance of plate-fin heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 89: 356-364.

[13] DU X P, ZENG M, DONG Z Y, et al. Experimental study of the effect of air inlet angle on the air-side performance for cross-flow finned oval-tube heat exchangers[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 52: 146-155.

[14] DU Xueping, ZENG Min, WANG Qiuwang, et al. Experimental investigation of heat transfer and resistance characteristics of a finned oval-tube heat exchanger with different air inlet angles[J]. Heat Transfer Engineering, 2014, 35(6/8): 703-710.

[15] DU Xueping, YIN Yantao, ZENG Min, et al. An Experimental investigation on air-side performances of finned tube heat exchangers for indirect air-cooling tower[J]. Thermal Science, 2014, 18(3): 863-874.

[16] YANG L J, CHEN L, DU X Z, et al. Effects of ambient winds on the thermo-flow performances of indirect dry cooling system in a power plant[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2013, 64: 178-187.

[17] 赵文升, 唐雪峰, 李卫华. 侧风下浮力驱动“塔烟”流动及换热特性数值研究[J]. 动力工程学报, 2014, 34(5): 404-410.

ZHAO Wensheng, TANG Xuefeng, LI Weihua. Flow and heat-transfer characteristics in buoyancy driven "natural draft cooling tower" under crosswind conditions[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2014, 34(5): 404-410.

[18] 韩中合, 马务, 王智. 1 000 MW直接空冷机组散热单元换热特性的数值模拟[J]. 动力工程学报, 2013, 33(5): 358-363.

HAN Zhonghe, MA Wu, WANG Zhi. Numerical simulation on heat-transfer characteristics of radiator in 1 000 MW direct air-cooling unit[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013, 33(5): 358-363.

[19] 史美中, 王中铮. 热交换器原理与设计[M]. 4版. 南京: 东南大学出版社, 2009.

[20] 朱冬生, 毛玮, 蓝少健, 等. 多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用[J]. 流体机械, 2012, 40(4): 63-67.

ZHU Dongsheng, MAO Wei, LAN Shaojian, et al. Application of porous media and distributed resistance model in numerical simulation of plate-fin heat exchanges[J]. Fluid Machinery, 2012, 40(4): 63-67.

[21] HUANG L, WEN J X, KARAYIANNIS T G, et al. CFD modelling of fluid flow and heat transfer in a shell and tube heat exchanger[J]. The PHOENICS Journal of Computational Fluid Dynamics and its Applications, 1996, 9(2): 181-209.

[22] ZHANG C, SOUSA A C M, VENART J E S. The numerical and experimental study of a power plant condenser[J]. Journal of Heat Transfer, 1993, 115(2): 435-445.

Influence of Air Inlet Angle on Flow Characteristics of a Finned Oval-tube Heat Exchanger

TANGLinghong1,DUXueping2,ZENGMin3

(1. Mechanical Engineering College, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China; 3. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering, Ministry of Education, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Numerical simulation was conducted on the flow characteristics of a finned heat exchanger with two rows of oval tube using porous media model at following air inlet angles, such as 30°, 45°, 60° and 90°, respectively, and subsequently the simulation results were compared with experimental data, so as to analyze the effects of air inlet angle on the distribution of exchanger face velocity. Results show that within the test range of air inlet angle, the flow resistance loss of heat exchanger increases with reducing air inlet angle; the error Δpbetween calculation results and experimental data is less than 7% at different inlet angles of air; the most uniform flow distribution can be achieved when the inlet angle between two neighboring oval tubes is set to be 90°.

finned oval tube heat exchanger; air inlet angle; flow; porous media

1674-7607(2017)08-0649-06

TK124

470.10

2016-08-15

2016-09-18

陕西省教育厅科研计划资助项目(16JK1600)；国家教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目(NCET-13-0463)

唐凌虹(1979-)，男，湖北襄阳人，讲师，博士后，研究方向为强化传热技术.电话(Tel.):029-88382619; E-mail：lhtang97@163.com．