风冷翅片管换热器传热特性研究

《风冷翅片管换热器传热特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、风冷翅片管换热器传热特性研究程金强，梅宁，赵杰（中国海洋大学工程学院，山东青岛266100）摘要：以铜铝复合翅片管为研究对象，结合翅片管换热器传热性能分析，给出其传热过程的物理模型。通过流固界面传热耦合，利用计算流体力学(CFD)软件进行模拟，对翅片管在不同风速、风温下的翅片管换热过程中温度场的分布进行数值模拟，得到翅片管的肋片效率，翅片管传热系数等一系列数值。并建立了试验台对其进行验证，结果表明翅片管能满足溴冷机在风冷条件下作为吸收器的散热要求。关键词：翅片管；流固界面传热耦合；溴化锂吸收式制冷机0引言用普通的光管

2、组成的热交换器，在很多情况下，管外流体和管内流体对管壁的换热系数是不一样的。比如圆管内部是流动的水，其换热系数为5000W／(m2．K)，而管外流动的是烟气，其换热系数只有50W／(m2．K)，二者相差100倍。由于空气侧的换热“能力”远远低于水侧，限制了水侧换热“能力”的发挥，使得空气侧成为传热过程的“瓶颈”，限制了传热量的增加。为了克服空气侧的“瓶颈”效应，强化传热效果，在空气侧外表面加装翅片，使空气侧原有的传热面积得到了极大的扩展，弥补了空气侧换热系数低的缺点，使传热量大大提高。传热管两侧换热系数如果相差较大，

3、则应该在换热系数小的一侧加装翅片，但是会引起流动阻力的增加，两者应权衡利弊。翅片管传热系数受肋片高度、间距、厚度、形状、材料及制造工艺等因素影响。翅片高度增加到一定程度后，如果再继续增加，散热量会减少，使翅片效率降低；翅片不能太密，否则容易产生积灰，而且清灰困难，还会增加工艺难度，提高加工成本。一般，在能源工程上应用的翅片管，其翅化比在5～12;而在空调，空冷行业，其翅化比在15～22。铜铝复合翅片管具有耐压强度高、传热快、体积小、重量轻、高效节能等诸多优点，是高效传热管件发展的一个重要方向，其上肋片加工方法有直接铸

4、造、轧制、切削制作和缠绕金属薄片等[1]。采用大型三维数值模拟软件对传热构件进行模拟，已成为近年来对高效传热器研究的一种重要手段，它不但可以得到可靠的结果，还可以大幅减少试验研究的工作量[2-3]。本文对翅片管在不同风速、风温下的换热过程中温度场的分布进行数值模拟，得到翅片管的肋片效率、翅片侧的换热系数及其散热量等一系列数值，为高效传热翅片管能否应用于小型溴冷机中吸收器部分提供了基本的数据。1物理模型1.1模拟对象描述该模型除了考虑传热外，还有翅片外流场的模拟，所以属于三维传热流体运动耦合问题，考虑到计算机硬件配置及

5、计算时间的问题，模型选取了长为11.5mm的一段翅片管，包括四个梯形肋片，外部流场考虑到空气外掠翅片管需要一个充分发展空间，定义了一个长矩形风洞，在沿吹风方向上，进口处距离翅片顶端20mm，出口处距离翅片顶端60mm，垂直于吹风方向的四个面距离翅片距离均是10mm。本文研究的铜铝复合翅片管外形描述如图1所示，基本结构数据见表1。变截面的环形肋片能够提高肋片效率，同时也可以减轻肋片的重量[4]表1铜铝复合翅片管结构参数Tab.lStructureparametersofCu-Alcombinedfinnedtube翅片

6、外径翅根直径翅高翅根宽翅顶宽翅片间距铜管外径铜管内径/mm/mm/mm/mm/mm/mm/mm/mm5727150.40.2232520图1模拟对象描述Fig.lObjectofsimulation1.2风冷翅片管物理模型复合翅片管换热器计算物理模型，翅片管衬管内表面实现溴化锂吸收水蒸气并放出吸收热，此热量作为热源传向管外翅片侧，翅片侧有环境风吹过实现散热，其主要特点及假设为1)复合翅片管由基管和衬管组成，外部肋片为变截面环肋，等大小等间距排列。2)复合翅片管各材质热物性在所模拟温度范围内为定值。3)风冷条件下，管外

7、吹风空气物性为常数，且为不可压缩流动。4)管内吸收放热由均匀热流密度或者恒定壁温来模拟实现。5)基管与翅片管之间为面全接触，不考虑接触热阻，为传热耦合面。6)外部风洞尺寸要比翅片管大，至少不能影响空气流场的发展。2数学模型2.1计算模型选取及控制方程本模型包括铜铝复合翅片管，风洞中的风。由于风速较小，属于不可压缩流体流动，选择非耦合单精度解法，这样不仅精度能达到要求，而且还节省计算机资源，除了流动模型、传热模型（能量方程）外，还需要加一个湍流模型，计算中所采用的湍流模型主要有零方程模型、一方程和双方程模型[6]，而以

8、k-ε双方程模型用得最多。本文采用的是标准k-ε双方程模型，湍流黏度为（1）式中：Cμ为常数，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率。k湍流动能疏运方程：（2）ε湍流动能耗散率输运方程：（3）式中：为非稳态项，为对流项，为扩散项为产生项，为消失项。采用k-ε程模型，则：(4)其中，采用k-ε双方程模型求解湍流对流换热问题，控制方程有连续性方程、动量方