翅片管式换热器换热性能研究①

宋 建 蔡家斌 熊贤沙 李家春

（贵州大学机械工程学院 贵州贵阳 550025）

空气源热泵技术常用于农作物干燥，建筑供暖等领域，翅片管换热器作为热泵系统重要的一部分，对其进行研究有助于提高系统节能效益。李猛等［1］通过数值模拟方法研究了开缝翅片管换热器开缝数量对换热性能的影响，认为翅片开缝数量应考虑综合流动换热特性进行合理分配。也有研究认为降低翅片结构复杂程度有利于降低空气侧压降并减少积灰现象［2-3］。还有研究发现改变翅片结构能提升换热器换热性能［4-5］。

根据波纹翅片管结构对换热器换热性能的影响，利用CFD 技术构建换热器模型并进行数值模拟分析，探究翅片间距、翅片管纵向间距、翅片波纹高度对换热器换热机理研究。

1 模型建立与方法

1.1 模型建立

研究对象为常用波纹翅片管换热器，翅片管材料为铜，翅片材料为铝，3 排，叉排组合，翅片管结构如图1，为分析翅片结构对换热器性能影响，采用翅片间距、翅片管纵向间距、翅片波纹高度3 个指标对翅片管换热器进行数值模拟分析。翅片间距FP（1.5、2.0、2.5、3.0 mm），纵向间距S2（17.65、19.65、21.65、23.65 mm），翅片波纹高度GP（0.8、1.0、1.2、1.4 mm），假定进口流速、翅片换热区域长度不变。

图1 波纹翅片管换热器结构

以标准波纹翅片管作对比，参数如表1 所示，考虑翅片管换热器的周期性和对称性，简化计算模型区域有助于减少计算时间，延长进口和出口域，减少空气回流。

表1 标准翅片参数 单位：mm

现假设（1）空气做不可压缩流体处理；（2）不考虑辐射传热；（3）忽略空气侧材料接触热阻，流体在固体表面无滑移；（4）翅片根部与铜管外壁温度相等；

计算模型的控制方程由连续性方程、动量方程和能力守恒方程组成［6］，建立模型后对其进行网格划分，为使计算更加精确，对空气与翅片接触区域网格进行加密，采用标准k-ε 湍流模型、SIMPLE 算法进行计算。换热器边界条件设置：入口条件为速度入口，速度4 m/s，入口温度为20℃；出口条件设置为outflow；铜管外壁温度为7 ℃；空气侧与材料接触面设置为流固耦合边界；翅片上下设置为周期边界periodic；其余面设置为对称边界，计算域及边界条件如图2所示，材料物性如表2所示。

图2 翅片计算域及边界条件设置

表2 材料物性参数

1.2 数据处理

此次波纹管翅式换热器性能评判标准由阻力系数，换热因子确定，阻力系数越大，代表流通阻力和系统机械能耗越大；换热因子越大，代表换热性能越好，相关公式如下.

式1～4 中：υm为最小截面流速；de为当量直径；μ空气动力粘度，取 η = 1.8 × 10-5kg/(m∙k)；h为空气侧换热系数；λ 为导热率；Δp为进出口压降；翅片流域长度L= 0.064 92 m；Pr为普朗特数，取0.7。

2 结果与分析

2.1 翅片间距对换热性能的影响

2.1.1 翅片间距对阻力系数和压降的影响

由图3可知，随着翅片间距的增大，阻力系数逐渐减小，这是因为进口流速相同时，片间距增大会使空气流通域增大，导致流域内空气流速梯度减小，空气流动所受阻碍降低，压降随之减小，空气粘性力减小，从而导致阻力系数减小。

图3 翅片间距对阻力系数和压降的影响

2.1.2 翅片间距对换热因子和换热量的影响

由图4可知，翅片间距增大会引起换热因子降低，这是由于翅片间距增大，相当于减少换热面积，换热量减少，换热系数和努塞尔数也相应减少。减少翅片间距虽然有利于增强换热器性能，但也会导致阻力系数增加，增加风机等系统能耗，因此，翅片间距应该根据系统性能综合考虑。

图4 翅片间距对换热因子和换热量的影响

2.2 纵向间距对换热性能的影响

由图5可知，随着纵向间距增大，阻力系数和压降总体平缓，这是因为流道总体复杂程度并没有发生较大改变，流体在流道中的流速数变化小，因此，对出口后的压力影响较小。由图6可知，纵向间距改变不会引起换热面积改变，计算过程中空气侧的水力直径不变，对流体雷诺数影响较小，但换热因子和换热量在纵向间距增大情况下有轻微提升，这是因为纵向间距增大变相增加了空气在换热器内流动时的换热域。总的来说，改变纵向间距以增强换热器换热性能效果不大。

图5 纵向间距对阻力系数和压降的影响

图6 纵向间距对换热因子和换热量的影响

2.3 波纹高度对换热性能的影响

由图7可以看出，随着波纹高度的增加，阻力系数增大，这是因为波纹高度增加，提高了空气在流域内运动的复杂程度，增大了流体的湍流特性，导致进出口压降增大，阻力系数增大。由图8可以看出，随着波纹高度增加，换热量增大。这是因为波纹高度增加变相增大了翅片换热面积，提升了过程中的换热量，空气侧雷诺数增大。总的来说，增加波纹高度有助于提升换热器的换热性能，但同时也要考虑阻力系数增大带来的不利影响。

图7 波纹高度对阻力系数和压降的影响

图8 波纹高度对换热因子和换热量的影响

3 结论

利用CFD 计算对空气侧翅片管换热器换热过程进行数值模拟分析，研究不同翅片结构对换热器性能的影响，结果如下。

翅片间距和波纹高度对翅片管换热器换热性能影响较大，翅片间距减小和波纹高度增大都有助于提升换热效果，但同时也会增大换热器阻力系数，增加系统负载。翅片管纵向间距对换热器流道的复杂程度影响较小，纵向间距的改变不会使换热器换热性能有较大改变。总的来说，对波纹翅片管结构参数进行设计时，应综合考虑系统换热量、阻力系数等因素，选择合适的翅片结构提升换热器性能。