探讨：小管径开缝翅片管式换热器传热性能

2023-5-17 23:53| 发布者: admin| 查看: 1255| 评论: 0

摘要: 在当今社会大力倡导节能减排的背景下，一些传统热交换设备，例如广泛用于空调、制冷与汽车等领域的翅片管换热器，迫切需要通过结构改进与优化设计来提高其综合传热性能。其中，传热管小径化设计既能改善传热，又节约 ...

在当今社会大力倡导节能减排的背景下，一些传统热交换设备，例如广泛用于空调、制冷与汽车等领域的翅片管换热器，迫切需要通过结构改进与优化设计来提高其综合传热性能。其中，传热管小径化设计既能改善传热，又节约了材料的消耗，近年来已被愈来愈多翅片管换热器生产企业所采用。

（本图仅为参考，不对应文章任何产品信息）

由于翅片间距和开缝高度对于空气侧流体的流动空间和气流扰动强度有着直接的影响，且与其它结构参数相比，改变翅片间距和开缝高度更为方便。因此，本文将采用 CFD 数值模拟的研究方法，探究家用空调翅片管式冷凝器的翅片间距 Pf 和相对开缝高度 Sh/Pf 对5mm 小管径百叶窗式开缝翅片管换热器空气侧传热与阻力特性的影响。

1、模型的建立与求解

1.1 物理模型

模拟采用的开缝翅片是在家用空调翅片管式冷凝器单排平翅片的基础上，不考虑污垢热阻影响的情况下，对翅片侧进行百叶窗式对称倾斜开缝处理，在翅片的表面形成百叶窗形状的排列。开缝布置如图 1 所示，翅片与管束垂直，管束通过胀接法与翅片紧密接触。翅片和管子的材质分别为铝和紫铜。

数值模拟参数见表 1，其中，基管外径、横向管间距、翅片宽度和翅片厚度等主要翅片结构模拟参数与5mm小管径家用空调冷凝器常用的单排平翅片的结构参数相一致；翅片管管壁温度和空气的入口温度分别依据家用空调标准制冷工况下的温度进行设定，而迎面风速的取值则在标准工况的基础上扩大模拟范围，将翅片间距和相对开缝高度作为模拟优化的主要结构参数，探究不同迎面风速下翅片间距Pf 和相对开缝高度 Sh/Pf 对 5mm小管径百叶窗式开缝翅片管换热器空气侧传热与阻力特性的影响。

考虑到开缝翅片管换热器几何结构的对称性和周期性，计算域的选取如图 2 所示。沿 x 方向选取空气流经的单排管子，y方向选取相邻两列管中心线对称的 1/2 区域，z方向选取上下各1/2 Pf的空气流道以及空气流道之间的翅片作为单元流道。为避免入口效应和出口回流对计算结果造成影响，将空气入口段延长至 3 倍基管外径长度；出口段延长至7倍基管外径长度。

1.2 数学模型与计算方法

采用 FLUENT 软件进行模拟，由于空气密度变化非常小，为了提高求解速度和解的稳定性，采用 Boussinesq 假设计算自然对流传热；假定计算域中的流动处于湍流状态；忽略基管与翅片间的接触热阻。模拟求解控制方程由连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成。数值模拟计算过程中所涉及的物理量如下所示。

模拟采用 RNG k-ε湍流模型，近壁面采用增强壁面函数，开启能量方程，动量方程和能量方程均采用二阶迎风差分格式，压力与速度的耦合采用 SIMPLE 算法。边界条件设置如图 3 所示：空气入口设置为速度入口，迎风面风速设置为 1~6m/s，入口温度统一设为 293.15K；空气出口设置为自由出流。

基管内表面设为 313.15K 恒温无滑移壁面边界，翅片表面为对流传热的流固耦合边界；计算域沿 y 方向的边界设置为对称边界；z方向的边界设置为平移周期性边界。

1.3 网格划分与可行性验证

考虑到所研究的开缝翅片管换热器结构的复杂性，利用 ANSYS Mesh软件进行网格划分的过程中采用局部网格控制方法，对基管处网格进行加密，翅片表面生成边界层网格，如图 4 所示。在利用 FLUENT 软件正式求解之前通过网格无关性验证，最终选取网格单元数为358~405万的网格模型进行网格划分。

为了验证模拟所采用的数值模型的可靠性，建立与文献［1］相同结构参数的百叶窗开缝翅片模型，然后利用本文所采用的数值求解方法计算空气侧 Nu 和压降 Δp，并与文献［1］中提出的试验关联式计算值进行对比，结果如图 5 所示。

文献［1］中提出的关联式是通过对 49 种百叶窗翅片管换热器传热与阻力特性试验数据进行拟合得出的，其 95.5% 的传热特性和 90.8% 的阻力特性数据偏差均在 ±15% 以内，是目前为止所有紧凑式百叶窗翅片实验关联式中应用范围最广，精度最高的关联式。

文献［1］：WANG C C，LEE C J，CHANG C T.Heat transfer and friction correlation for compact louvered fin-and-tube heat exchangers［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1999，42：1945-1956.

从图 5 可知，模拟值与试验关联式计算值吻合程度较高，空气侧Nu和压降 Δp 相对误差的绝对值分别1.13%~9.20%和 3.90%~11.06%，因此适合用于小管径开缝翅片管换热器空气侧传热综合性能模拟研究。

2、数值模型结果与分析

2.1 翅片间距 Pf 的影响

基于所构建的数值模型及求解方法获得了如图 6 所示的5mm 小管径开缝翅片管换热器传热、压降与阻力特性随翅片间距的变化规律。

从图 6（a）（b）中可以看出，随着 Re 的增加，不同翅片间距下的空气侧 Nu 和压降 Δp 均呈上升趋势，但随着 Re 的增加，Nu上升幅度逐渐减小，而压降 Δp 上升幅度逐渐增大，说明随着迎面风速的增加，翅片表面强制对流传热强度逐渐增大的同时，也产生了较大的压力损失。

作为表征流体流动阻力与惯性力之比的无量纲准则数，f 越小说明翅片管换热器的阻力特性越好，从图 6（c）中可以看出，阻力系数 f 随 Re 的增加呈下降趋势，这是因为惯性力的大小与速度的平方成正比，随着空气入口流速的增加，惯性力增加的幅度要大于流动阻力的增加幅度。

对图 6 进一步分析可知，在翅片间距 Pf 由 1.30mm 增加到 1.50mm的过程中，空气侧 Nu、压降 Δp 和阻力系数 f 分别下降了约 2.69%，7.24%和 9.35%。这主要是因为相同情况下，翅片间距越小，流通截面越窄，气流扰动越剧烈，从而使得空气侧压力损失增加，流动阻力随之增大；Pf 较大时，翅片间的流体边界层相互干扰程度下降，气流扰动对流体边界层的破坏作用减弱，且随着翅片间距的增大，换热系数较小的基管表面积增加，故整体的换热系数减小，Nu 也随之减小。

2.2 相对开缝高度 Sh/Pf 的影响

为了探究相对开缝高度对小管径开缝翅片管换热器传热与阻力特性的影响，在相同翅片间距下，取 Sh /Pf 分别为 0.40，0.50，0.55 的 3 个翅片模型进行模拟，模拟结果如图 7 所示。

由图 7（a）可知，相对开缝高度对小管径开缝翅片管换热器空气侧传热特性的影响与 Re 有关。当 Re<Re1 676 时，空气侧 Nu 随翅片相对开缝高度的增加先减小后增大，这是因为随着 Re 的增加，流体的扰动变得更加剧烈，形成复杂的流体旋涡流动，而相对开缝高度由0.4 增加到0.5 的过程中，旋涡流出现的区域有所减小，削弱了空气侧对流传热，但当相对开缝高度超过 0.5 时，相邻两翅片间的扰动变得更加剧烈，对流体边界层的破坏作用更加明显，从而有效地强化了空气侧对流传热。

从图 7（b）（c）可知，相同空气入口流速下，空气侧压降 Δp 和阻力系数 f 均随相对开缝高度的增加而增大。当相对开缝高度 Sh/Pf 由 0.40 增加到 0.55 时，空气侧压降和阻力系数分别增加了约 38.08% 和 28.34%，这是因为在其他条件相同的情况下，相对开缝高度越大，气体在翅片间的流通截面越小，使得气流扰动增强，空气侧压力损失随之增加，且流动阻力增加的幅度要大于惯性力的增加幅度。在Pf =1.30mm 的情况下，相对开缝高度为 0.55 时的空气流通截面最窄，因此空气侧压降最大，阻力系数 f 也最大。

2.3 不同翅片结构参数下的换热器空气侧传热综合性能分析

在实际工程应用中，换热器的对流换热性能得到强化的同时通常会伴随流体流动阻力和能耗的增加。为了综合衡量不同结构参数下开缝翅片管换热器空气侧传热和阻力性能的优劣，本文采用 Nuf -1/3 作为综合性能评价指标，其物理意义是表征流体在流经传热表面时，单位功耗下对流传热的强弱，Nuf -1/3 值越大，说明换热器的综合流动传热性能越好。在 Re=457~2 907范围内，5 种不同翅片结构参数下的换热器空气侧传热综合性能的评价准则 Nuf -1/3 如图 8 所示。

从图可以看出，评价准则 Nuf -1/3 随着 Re 的增加而增大，这是因为 Nu 随 Re 的增大而增大，f 随着Re的增大而减小，翅片综合传热性能得到强化；在翅片间距 Pf =1.30~1.50mm 范围内，改变其大小，翅片综合传热性能相差不大。当 Re1 300 时，Pf =1.50mm的翅片空气侧传热综合性能更佳。

因此，在实际工程应用时，可根据实际情况选择不同的翅片间距，如要求传热性能较好，可考虑采用 Pf =1.30mm 的开缝翅片管换热器，若要求阻力尽可能小，则可以选择 Pf =1.50mm 的开缝翅片管换热器；在相同翅片间距 Pf 下，相对开缝高度 Sh/Pf 由 0.40 增加到0.55，综合流动传热性能降低了约 8.26%，主要是因为尽管相对开缝高度的增加对翅片管换热器传热性能提高不明显，但其阻力明显增加，因此随着相对开缝高度的增加，综合流动传热性能明显降低。

2.4 温度场和压力场分析

通过上述分析可知，翅片对流传热综合性能随空气入口流速的增加而增大。当空气入口流速为 6m/s 时，在所研究范围内，Pf =1.30mm，Sh/Pf =0.55 的翅片对流传热综合性能最低，使得翅片对流传热综合性能达到最佳的翅片间距和开缝高度的组合为 Pf =1.50 mm，Sh/Pf =0.40。为了更加直观地分析开缝翅片空气侧传热和阻力特性，选取上述 2 种翅片（方便起见，依次命名为 FT1 和 FT2）以及相应平翅片形式下的温度场与压力场分布进行对比，结果分别如图 9，10 所示。

图 9温度模拟结果表明：

在基管温度 313.15 K 和入口空气温度 293.15 K 的模拟工况下，平翅片、 FT1 和 FT2 开缝翅片表面分析面上的平均温度分别为 308.79，304.98，305.12 K；在分析面处的相同区域，FT1 和 FT2 开缝翅片表面的温度较平翅片更低。在相同迎面风速和加热边界条件下，由于主流流体对翅片表面的冲刷带走了翅片处的热量，换热效果越好的区域，翅片表面的温度越低。

与平翅片均匀分布的温度等值线相比，由于倾斜开缝的存在，气流扰动更加剧烈，开缝翅片的低温区域尤其在开缝位置处明显增加，因此，相同条件下开缝翅片换热效果明显高于平翅片。由图 10 可知，空气在流经平翅片表面时受到的扰动较小，因此压力场分布比较均匀，并且不存在相对负压区。

对于百叶窗式倾斜开缝翅片，由于开缝翅片的表面高低起伏，空气流过开缝翅片表面时受到剧烈的扰动，进而产生了一定的压力损失，压力场分布较为紊乱。在基管和翅片之间的最窄流通面两侧，沿空气流通方向的压力是先降低后升高，有时还会呈现相对负压区。这可能是因为空气在流经翅片管时，由于流通截面发生变化，空气流速会先增大后减小，气体的压力先减少后增加。

进一步分析可知，在本文所研究的 5 种不同结构参数下的开缝翅片中，FT1 开缝翅片（Pf =1.30 mm，Sh/Pf =0.55）的翅片间距最小，相对开缝高度最大，空气流通截面最窄，因此相同条件下的气流扰动更加剧烈，从图 10（b）中可以看出 FT1 开缝翅片在开缝位置处的压力损失最大。

微信号｜CRAHETA

微信名称｜制冷空调换热器