摘　要：對矩形平翅片管換熱器、雙對稱圓孔翅片管換熱器的熱工性能進行模擬及比較，后者的綜合性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞：翅片管換熱器；  矩形平翅片；　雙對稱圓孔翅片；  熱工性能

Simulation of Thermodynamic Performance of Double Symmetric Circular Hole Finned Tube Heat Exchanger

Abstract：The thermodynamic performances of rectangular flat finned tube heat exchanger and double symmetric circular hole finned tube heat exchanger are simulated and compared．The comprehensive performance of the latter is better．

Keywords：finned tube heat exchanger；rectangular flat fin；double symmetric circular hole fin；thermodynamic performance

1　概述

矩形平翅片作為傳統(tǒng)翅片管換熱器的組成部分，具有結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便、加工容易、適應(yīng)性強等優(yōu)點，但無論在干工況還是濕工況下，其換熱效果均不理想，逐漸被波紋形翅片、條縫形翅片、百葉窗形翅片等高效翅片取代^[1]。其中最受關(guān)注的是百葉窗形翅片在家用空調(diào)換熱器的換熱效果研究，在20世紀80年代，國外學(xué)者通過二維數(shù)值模擬對百葉窗形翅片管換熱器的換熱效果進行模擬研究^[2-5]。但由于結(jié)霜等原因，翅片孔容易被結(jié)霜堵塞，喪失強化傳熱特征，尋找在制冷工況下具有高效換熱效果的新型翅片，對節(jié)能減排具有重大意義。

1999年，王厚華等人^[6]提出了3種矩形平翅片的幾何變形片，并與矩形平翅片進行對比實驗研究，相同情況下圓孔翅片管換熱器空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)比矩形平翅片管換熱器提高l3.4％。蘇華^[7]提出雙開孔翅片，并進行正交實驗研究，干工況下，優(yōu)化的雙開孔翅片管換熱器空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)比矩形平翅片管換熱器提高l4.55％，節(jié)省材料l0％。王厚華等人^[8]利用冰箱制冷系統(tǒng)，分別對圓孔—半圓孔交叉翅片管換熱器、雙圓孔翅片管換熱器、矩形平翅片管換熱器，進行了結(jié)霜工況下制冷性能對比實驗研究，雙圓孔翅片管換熱器具有較優(yōu)的換熱效果，相同制冷量下可節(jié)電6.39％，濕工況下僅有少量圓孔被結(jié)霜堵塞，整體上仍能保持明顯的強化傳熱效果。2008年，筆者采用數(shù)值模擬方法研究了李氣沿矩形平翅片表面的流動和換熱特征，定量分析了翅片表面換熱的薄弱部位，為確定圓孔的開設(shè)位置提供了理論依據(jù)^[9]。

本文采取數(shù)值模擬方法，在相同條件下，比較分析矩形平翅片管換熱器與雙對稱圓孑L翅片管換熱器的熱工性能。

2　研究對象與數(shù)學(xué)模型

①研究對象

研究對象選取單排換熱管的矩形平翅片管換熱器、雙對稱圓孔翅片管換熱器，幾何尺寸按照文獻[7]中實驗樣件的尺寸確定，基本尺寸：換熱管外徑Do為25mm，翅片厚度d為0.5mm，換熱管間距d為76mm，翅片間距s為10mm，翅片寬度b為6lmm，翅片長度L為296mm，圓孔間距e為26mm，圓孔直徑D為14mm。兩種翅片管換熱器的翅片數(shù)均為28片，矩形平翅片管換熱器總換熱面積為1.1139m²，雙對稱圓孔翅片管換熱器總換熱面積為1.1089m²。由于翅片管換熱器所有翅片幾何結(jié)構(gòu)相同，為了簡化研究，取單個翅片作為研究對象，根據(jù)對稱特性，取其中的一個區(qū)域作為模擬單元進行研究。矩形平翅片、雙對稱圓孔翅片結(jié)構(gòu)分別見圖1、2。

②條件設(shè)定

忽略翅片與換熱管的接觸熱阻以及翅片與換熱管間的輻射換熱，與翅片接觸的換熱管外壁面溫度恒定，取347.36K；空氣進入換熱器的溫度為297.8K；進口均為來流，空氣勻速流動；翅片的熱導(dǎo)率為常量；模擬單元邊緣采用絕熱邊界條件，空氣流道取對稱邊界條件；翅片、換熱管材質(zhì)均為鋼。取風速(空氣流速)分別為1、2、3、4m／s，進行模擬分析。

③網(wǎng)格的劃分與算法

應(yīng)用Fluent軟件的Gambit模塊，對模擬單元采用分塊網(wǎng)格劃分的方法進行離散，對某些規(guī)則區(qū)域采用6面體網(wǎng)格以減少網(wǎng)格數(shù)目，對一些不規(guī)則區(qū)域采用4面體網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量，最終得到總網(wǎng)格數(shù)逾15×10⁴個。計算模型采用標準k-e方程，控制方程的對流項離散化采用二階迎風格式，速度與壓力的耦合關(guān)系采用SIMPLE算法^[10-11]。

④模擬項目及目的

通過模擬計算，得到翅片管換熱器空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)(考慮了翅片與換熱管的傳熱) ^[8]、空氣側(cè)努塞爾數(shù)(用于表征流體與固體表面之間對流換熱強弱)、空氣壓力降。根據(jù)空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)，計算得到翅片管換熱器換熱量。由空氣側(cè)努塞爾數(shù)評價翅片管換熱器的傳熱性能，由空氣壓力降及翅片管換熱器換熱量評價翅片管換熱器的綜合性能。

翅片管換熱器換熱量①的計算式為：

式中F——翅片管換熱器換熱量，W

h——空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)，W／(m²·K)

A——翅片管換熱器換熱面積，m²

to——換熱管表面溫度，℃，取與翅片接觸的換熱管外壁面溫度

ta,in、a,o——空氣進、出口溫度，℃

3　模擬結(jié)果及分析

①空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)

兩種翅片管換熱器空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)隨風速的變化見圖3。由圖3可知，兩種翅片管換熱器空氣側(cè)平均當最對流換熱系數(shù)均隨風速的增大而增大，且相同風速下雙對稱圓孔翅片管換熱器空氣側(cè)平均當量對流換熱系數(shù)高于矩形平翅片管換熱器。

②空氣側(cè)努塞爾數(shù)

兩種翅片管換熱器空氣側(cè)平均努塞爾數(shù)隨風速的變化見圖4。由圖4可知，隨著風速的增大，兩種翅片管換熱器空氣側(cè)平均努塞爾數(shù)均明顯增大，且相同風速下雙對稱圓孔翅片管換熱器空氣側(cè)平均努塞爾數(shù)明顯高于矩形平翅片管換熱器。

風速4m／s下兩種模擬單元空氣側(cè)努塞爾數(shù)分布見圖5、6。由圖5、6可知，矩形平翅片管換熱器模擬單元空氣側(cè)努塞爾數(shù)的最大值出現(xiàn)在換熱管的兩側(cè)，雙對稱圓孔翅片管換熱器模擬單元的最大值出現(xiàn)在流動的起始位置；最小值均出現(xiàn)在換熱管后尾流區(qū)。在相近位置上，雙對稱圓孔翅片管換熱器模擬單元空氣側(cè)努塞爾數(shù)明顯高于矩形平翅片管換熱器模擬單元，這說明前者的傳熱性能優(yōu)于后者。

③空氣壓力降

兩種翅片管換熱器空氣壓力降隨風速的變化見圖7。由圖7可知，隨著風速增大，空氣壓力降逐漸增大，且雙對稱圓孔翅片管換熱器的空氣壓力降僅稍高于矩形平翅片管換熱器，這是由于翅片表面圓孔在對氣流擾動的同時增大了阻力。

④換熱量

兩種翅片管換熱器換熱量隨風速的變化見圖8。由圖8可知，兩種翅片管換熱器換熱量隨風速的增大而增大，相同風速下，雙對稱圓孔翅片管換熱器的換熱量比矩形平翅片管換熱器高，這說明翅片表面圓孔能有效增強換熱。

4　結(jié)論

對稱圓孔翅片管具有優(yōu)越的強化傳熱效果。風速范圍為l～4m／s時，與矩形平翅片管換熱器相比，對稱圓孔翅片管換熱器的換熱量平均提高了12.8％，空氣壓力降提高并不明顯。

參考文獻：

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[11]章熙民，任澤霈，梅飛鳴．傳熱學(xué)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：115-131．

本文作者：方趙嵩  王厚華  趙永  吳偉偉  張杰

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

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