下载文档原格式
T 形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器性能研究及应用郭宏新,刘 巍,梁龙虎(洛阳石油化工工程公司,河南洛阳 471003) ①摘要:介绍T 形翅片管卧式重沸器和蒸汽发生器的研究开发过程和工程应用效果,包括T 形翅片管的结构特征、机加工技术研究、小试及工业试验、计算数模及使用范围、计算软件、设备系列图的开发,并介绍了T 形翅片管重沸器和蒸汽发生器在沸腾传热过程中的应用和取得的节能、节资效果,以及在装置扩能改造、解除瓶颈中发挥的作用。
关键词:T 形翅片管;重沸器;蒸汽发生器;沸腾传热;工程应用开发中图分类号:T Q 021.3 文献标识码:A 文章编号:100529954(2004)0120013204Development and application of T 2shaped finned tube reboiler and vapor generatorGU O H ong 2xin ,LIU Wei ,LIANG Long 2hu(Luoyang Petrochemical Engineering C orporation of SI NOPEC ,Luoyang 471003,Henan Province ,China )Abstract :The development and application of T 2shaped finned tube reboiler and vapor generator were presented ,which covered T 2shaped tube structure characteristics ,machining technique study ,small and pilot 2scale test ,and the develop 2ment of s oftware and equipment series diagram.In addition ,the application of T 2shaped reboiler and vapor generator in process of boiling heat trans fer and its g ood performance in energy saving and cost saving as well as its function in plant revam ping and debottling were described.K ey w ords :T 2shaped finned tube ;reboiler ;vapor generator ;boiling heat trans fer ;engineering application and devel 2opment 重沸器一般用于分馏塔底以提供分馏所需要的热源,其设计对分馏塔的操作至关重要。
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第 29卷增刊 ·82·化工进展翅片管式换热器的数值模拟与优化司子辉,张燕,康一亭,欧顺冰(西华大学能源与环境学院,四川成都 610039摘要:利用 FLUENT 数值模拟方法,研究两种翅片(波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片的表面流动性与传热性,得到不同风速表面传热系数的分布。
表面传热系数模拟结果与实验数据的误差为 5%~10%,证明该模拟方法的正确性。
研究结果表明:当气流速度不同时,波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%~28%,节约能耗,强化传热。
关键词:翅片;数值模拟;表面传热系数中图分类号:TB 657.5; TQ 008 文献标志码:A 文章编号:1000– 6613(2010 S2–082– 05Numerical simulation and optimization of finned tube heat exchanger SI Zihui , ZHANG Yan, KANG Yiting, OU Shunbing(School of Energy and Environment, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan , ChinaAbstract: The performance of surface flow and heat transfer of two kinds of different finned-tubes (wavy three symmetric holes fin surfaces and wavy fin surfaces are numerically studied by using FLUENT software, and distributions of convection heattransfer coefficients are obtained. The error of surface heat transfer coefficient between simulation results and experimental data ranges from 5% to 10%, which proves the feasibility of the simulation method. The results show that the convection heat transfer coefficients of the wavy three symmetric holes fin surfaces increase by 20%—28% compared to the wavy fin surfaces, thus saving energy and enhancing heat transfer.Key words: fin; numerical simulation; surface heat transfer coefficient翅片管式换热器应用广泛,其强化传热的数值模拟的研究一直是研究者普遍关注的课题。
文章编号:CAR105翅片管式换热器空气侧性能的数值模拟陈莹1高飞1高冈大造1徐林虓1李维仲2左建国2(1三洋电机(中国有限公司大连分公司2大连理工大学能源与动力学院摘要采用数值模拟的方法对翅片间距为1.6mm的波纹翅片管换热器的性能进行了研究,考察了在不同的迎面风速条件下1-5列换热器空气侧的换热和压降特性。
得到了翅片表面温度分布、压力分布等结果,分析了迎面风速对翅片表面的温度、空气流动的影响。
数值模拟结果与在相同条件下的试验结果进行了对比,对数值模拟结果的准确性进行了验证。
关键词波纹翅片换热器数值模拟换热系数压力损失NUMERICAL SIMULATION OF AIR-SIDE PERFORMANCE OFFINNED TUBE HEAT EXCHANGERChen Ying1 Gao Fei1 Daizo Takaoka1 Xu Linxiao1 Li Weizhong2 Zuo Jianguo2(1 SANYO Electric(ChinaCo.Ltd. Dalian Branch Research Dept2 Energy and Power Department of DLUTAbstract The performance of corrugated finned tube heat exchangers are simulated, the characteristic of air side heat transfer and friction of 1-5 rows heat exchangers are investigated under different frontal velocities. The results of temperature profile and pressure profile on fin surface are achieved. The effect of frontal velocity with the fin surface temperature and air flow is analyzed. The numerical results are validated by comparing with the experimental results under the same boundary conditions.Keywords Corrugated fin Heat exchanger Numerical simulation Heat tranfer coefficient Pressure drop0 引言管翅式换热器被大家广为关注[1,2,3],因此,对于管翅式换热器的换热及阻力性能的研究,具有重要意义。
论文振动翅片管流动与换热的介观数值模拟研究振动翅片管是一种常见的换热器件，其通过管道内的振动翅片来增强热传导和流动混合，从而提高换热性能。
介数模拟是一种有效的研究振动翅片管流动与换热的方法之一。
以下是对振动翅片管流动与换热的介数模拟研究的分析：1. 几何建模和网格划分：首先，需要对振动翅片管的几何形状进行建模，包括翅片的结构和管道的几何参数。
根据研究需求，可以选择二维或三维模型。
然后，将领域分割为网格单元，通常使用结构化网格或非结构化网格，以适应复杂的几何形状和流场。
2. 运动方程模拟：为了研究振动翅片管的流动特性，需要在数值模拟中考虑流体的流动运动。
通过求解流体力学中的Navier-Stokes方程，可以模拟流场的速度、压力和温度的变化。
针对振动翅片管，需要考虑流体的不可压缩性和翅片的良好运动模拟。
3. 振动翅片模拟：振动翅片的运动是振动翅片管换热性能的关键因素之一。
可以通过振动翅片上加入适当的振动力，或根据实验数据模拟振动模式。
同时，应考虑翅片在流动中产生的阻尼效应，如流体-结构相互作用（FSI）等。
4. 换热模拟：振动翅片管主要应用于换热领域，在模拟中需要考虑热传导、对流和辐射等换热机制。
根据流体的温度分布和翅片表面的换热特性，可以计算出管道内部和外部的换热效率和温度场分布。
5. 结果分析与优化设计：通过数值模拟，可以获得振动翅片管流动与换热的参数和特性。
通过分析和比较不同工况和翅片设计的结果，可以评估翅片形状、振动频率和幅度等参数对换热性能的影响，并进行优化设计。
需要注意的是，数值模拟只是对振动翅片管流动与换热的近似预测，具体的结果仍需与实验数据进行验证和修正。
此外，模拟过程中还需要合理选取边界条件、流体模型和模。
平翅⽚换热器管外流动与传热特性的数值模拟平翅⽚换热器管外流动与传热特性的数值模拟摘要:本⽂利⽤CFD软件FLUENT对平翅⽚换热器翅⽚表⾯流体流动及换热过程进⾏了数值模拟，获得了换热器内部流场、温度场以及换热器进出⼝压降和翅⽚表⾯平均对流换热系数等。
根据模拟结果，翅⽚表⾯对流换热系数随风速增加⽽增加，但增加速率逐渐下降；换热器进出⼝压降随着风速的增加⽽增加，且其增加速度逐渐加快。
利⽤场协同原理进⼀步分析对流传热，发现流速增⼤带来换热量增⼤的根本原因是风量的增加；速度的增加反⽽导致对流换热过程平均场协同⾓度增⼤，使速度场和温度场的协同性变差。
关键词: 平翅⽚；换热器；数值模拟；场协同原理Flat finned tube heat exchanger outside the numerical simulation of flow and heat transfer characteristicsAbstract: This paper, by using CFD software FLUENT to flat fin heat exchanger fin surface fluid flow and heat transfer process in the numerical simulation of the internal flow field, temperature field and heat exchanger heat exchanger in the import and export pressure drop and the average convective heat transfer coefficient of finned surface, etc.According to the simulation results, the fin surface convective heat transfer coefficient increases with the increase of wind speed, but the increase rate gradually decreases;Heat exchanger in the import and export pressure drop increases with the increase of wind speed, and increases its speed was accelerated.Convection heat transfer, using the field synergy principle further analysis found that the velocity increases with increase in heat is the root cause of the increase of air volume;Increased speed cause the average field synergy Angle increase in the convective heat transfer process, make the velocity field and temperature field of collaborative variation.Key words: flat fin; heat exchanger; numerical simulation; field synergy principle0 引⾔随着计算机技术的不断发展和进步，中央处理器(CPU)的运算速度⼤⼤地提⾼。
技术综述收稿日期:2004 04 16作者简介:徐百平(1969 ),男,吉林公主岭人,博士,从事高分子材料加工动力学模拟仿真、化工过程强化传热与节能以及传热过程的热力学效能评价方面的工作。
文章编号:1000 7466(2004)05 0041 04管外翅片强化传热途径与研究进展徐百平1,2,朱冬生2,黄晓峰1,顾雏军1(1 华南理工大学,广东广州 510640; 2.广东科龙电器股份有限公司博士后工作站,广东佛山 528303)摘要:介绍了管翅式换热器管外翅片强化传热的措施及其最新研究进展,总结了不同翅片形式强化传热的机理及翅片参数对传热与流阻的影响规律。
提出了翅片尺度的新概念,并指出了今后的研究方向。
关 键 词:换热器;翅片;强化传热中图分类号:TQ 051 501 文献标识码:AThe measurements and study advances for the heat transfer enhancement of outer fins of tubeXU Bai pi ng 1,2,ZHU Dong sheng 2,HUANG Xiao feng 1,GU Chu jun 1(1 College of Industrial Eq uipment and Control Eng ,SouthChina University of Technology,Guangzhou 510640,Chi na;2 Guangdong Kelon Electrical Holding Co Ltd ,Foshan 528303,China)Abstract :The measurements and up to datestudy advances for the heat transfer enhancement of ou ter fins in tube fin heatexchangers are reviewed,the mechanism of heat transfer enhancement and effectof fin parameters on heat transfer and flow resistance are sum marized Meanwhile,the novel concept of fin scale is proposed and further research direction is g i venKey words :heat ex changer;fin;heat transfer enhancement 管翅式换热器是空调中最常用的换热器结构形式,冷、热流体间壁错流换热,管内走冷媒,管外为空气。
翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟陈彪;余敏;龙时丹;王晓阳【摘要】Theperformanceofflowandheattransferofthreekindsoffinandtubeheatexcha ngers including plane fin,average pitch wave-fin and increasing pitch wave-fin heat exchangers were numerically simulated with CFD software,and the distributions of temperature,pressure and velocity on each central plane of fluid region were obtained.In addition,the mean surface heat transfer coefficient and resistance coefficientoffinweremeasuredunderdifferentwindvelocity.Thenumericalresu ltswereprovedtobe correct by the available experimental data.The study indicates that Nu number of the increasing pitch wave-fin is13.8%~29.3%higher than the plane fin,and 5.5%~10.3%higher than the average pitch wave-fin,thus achieving remarkable heat transfer enhancement.%借助CFD软件对3种不同类型的翅片管式换热器（平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片）的流动传热性能进行了三维数值模拟计算，得出了在不同入口风速下各流域中心面的温度场、压力场和速度场分布图，计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数，并与相关实验数据对比，证明该数值模拟的正确性．研究结果表明，倾角渐增波纹翅片的平均努谢尔数比平直翅片的高13．8％～29．3％，比均匀波纹翅片的高5．5％～10．3％，其强化传热效果显著．【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P307-311)【关键词】翅片管式换热器;数值模拟;传热系数;阻力系数【作者】陈彪;余敏;龙时丹;王晓阳【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海法维莱交通车辆有限公司，上海 201906;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TK121目前，翅片管式换热器已广泛应用于石油化工、航空航天、车辆工程、动力机械及低温制冷等领域.由于翅片管式换热器的主要热阻为空气侧热阻，因而合理设计翅片结构和增强翅片侧传热性能是改善翅片管式换热器性能最有效也是最常用的途径.传统方法主要是使用波形翅片和孔槽型翅片，国内外学者对翅片管式换热器空气侧的换热进行了许多实验和数值模拟的研究工作.例如，陈莹等对不同迎面风速下平直翅片和波形翅片进行了数值模拟和实验的对比研究［1］.Wongwises和Chokeman实验研究了波形翅片管式换热器的翅片倾斜度和管排数对空气侧换热性能的影响，结果表明，雷诺数高于2 500时，随着翅片倾斜度的增加，阻力系数增加，但是，对换热因子的影响不是很显著；雷诺数低于4 000时，换热因子和阻力系数随着管排数的增加而降低［2］. Jang和Chen通过数值模拟研究了三维波形翅片管式换热器中的传热和流动特性，结果表明，波形翅片的换热因子比相应的平直翅片的高63%～73%，阻力系数也高出75%～102%［3］.信石玉和崔晓钰利用数值模拟的方法，研究了空调系统用的翅片管式换热器的开缝翅片的开缝微肋结构对翅片整体的流动与传热特性的影响，得出翅片开缝微肋在既定工况下存在最佳倾斜角度等结论［4］.作者使用CFD软件对平直翅片管换热器和波纹翅片管换热器的空气侧气流进行了三维数值模拟，其中，波纹翅片管又分为均匀波纹翅片与倾角渐增波纹翅片，得出了3种类型翅片换热器的速度场、温度场及压力场的分布情况，其结果对工程应用及换热器研究具有一定的参考价值.1.1 几何模型及边界条件首先对计算模型作几点简化和假设：a.忽略辐射换热，不考虑换热管轴向传热及管排间的逆向导热.b.马赫数较低，流动是不可压缩流动.c.翅片导热系数无限大，即翅片上的温度均匀分布.d.忽略翅片和管外壁的接触热阻.数值模拟使用的是商业软件Fluent 6.3.26，由前处理软件Gambit 2.4.6建立三维模型并划分网格.翅片的材料为铝，3种翅片的结构尺寸如表1所示，边界条件设置如表2所示.以均匀波纹翅片管为例，它的计算区域及边界条件定义分别如图1和图2所示.u为空气入口速度，T为空气温度.1.2 数学模型空气入口速度u取值范围为0.5～5.0 m／s，雷诺数Re＜2 000，因此，空气在翅片间的流动状态为层流.控制方程参考文献［5］.质量守恒方程式中，ui为速度分量；xi为坐标分量；ρ为空气密度.动量守恒方程式中，uk为速度分量；μ为空气动力黏度；p为压力.能量守恒方程式中，k为空气导热系数；cp为空气比定压热容.通过CFD软件的前处理软件Gambit建立三维模型，将流域中心面设置为周期边界并划分周期网格.对于平直翅片，由于结构相对简单，使用的是六面体和四面体混合结构网格，而对波形翅片采用的是四面体非结构网格.在Fluent软件中设置翅片和换热管为固体壁面边界条件，温度固定在318 K.求解器中设置能量方程和动量方程的离散格式为二阶迎风格式，选取Simple算法求解压力速度耦合方程.为保证精度，在求解迭代过程中需使连续性方程和动量方程残差小于10-3，能量方程残差小于10-6，并检验进出口流体热流量差是否达到10-3W量级，假如满足以上条件，可认为计算已经收敛［6］.本文设定迭代步数为1 000，计算收敛后再对结果进行分析和讨论.3.1 不同翅片形式的换热流动情况分析选取空气入口速度为2 m／s时流域中心面的温度场、压力场和速度场分布进行分析讨论.分析图3可以看出，由于平直翅片表面平坦光滑，气体所受扰动较弱，换热过程比较柔和，温度等值线光滑而均匀，呈分层波纹状.而对于波纹翅片，气流扰动较强，换热强烈，温度场分布不均且变化剧烈，温度等值线分布紊乱，呈狭长带状.在迎风侧，温度梯度较大，换热强烈；在背风侧，恰好相反.这是因为背风面发生绕流脱体影响了换热，波纹翅片对绕流脱体现象有一定的破坏作用，因而波纹翅片增强了换热效果.分析图4（见下页）可以看出，平直翅片的压力场均匀分布，为分层波纹状.而波纹翅片的压力场比较紊乱，分层比较狭长.由于波纹翅片对流场的扰动作用比平直翅片的大，因而造成的阻力损失较大，要保持相同的进口流速和进出口压力，必须增大风机的功率.在最小流通截面的两侧，压力先降后升，近壁面处有负压区存在，这是因为流体在绕流圆管时，流通截面的变化引起速度变化，导致空气静压先减后增，从而出现沿程压力的周期性变化.分析图5（见下页）可以看出，空气横掠叉排管束时由于流通截面的渐缩和渐扩作用，使流动速度产生周期性的交替变化，同时在背风面产生了局部的回流和漩涡，但是，相比平直翅片，波纹翅片的脱体回流区较小，这样就增强了背风侧的换热效果.3.2 不同空气入口速度下换热情况分析空气入口速度与压降Δp、换热量Q之间的变化关系曲线如图6和图7所示.分析图6可以看出，3种翅片换热器的换热量都随空气入口速度的增大呈现递增的趋势.以3 m／s的入口速度为例，均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片的换热量分别是平直翅片的1.18倍和1.23倍，即在相同工况下，倾角渐增波纹翅片的换热效果最好，而平直翅片的最差.但是，从图7可以看到，随着空气入口速度的增大，各翅片管式换热器的压力损失也显著增大，且倾角渐增波纹翅片的增幅最大，最大时为平直翅片的2.03倍，即翅片类型对阻力性能有很大的影响.由此可以认为，波纹翅片增强了传热效果，压力损失也相应增加.但是，在对换热器体积要求严格且需要较高换热量的场合，波纹翅片的优势是显而易见的，而且倾角渐增波纹翅片比均匀翅片的换热效果更佳.雷诺数Re与阻力系数f、努谢尔数Nu之间的关系曲线如图8和图9所示.分析图8和图9也能得出上述相同的结论，即倾角渐增波纹翅片的换热效果最好，同时阻力损失也最大.本文对均匀翅片的数值模拟的计算结果略大于文献［1］中的实验数据，如图9所示，其雷诺数Re与努谢尔数Nu之间的关系曲线变化趋势一致，误差在10%以内，其影响因素主要是实验散热损失及翅片实际尺寸与设计尺寸的误差.因此，可以认为数值模拟的计算结果是相对可靠的.a.平直翅片的温度场、压力场分布均匀，呈分层波纹状；波纹型翅片的温度场、压力场分布相对紊乱，呈狭长带状.b.在其它工况不变时，增大空气入口速度可以增强翅片的换热效果，同时，空气入口速度的增大也会使阻力损失增加，所以，空气入口速度的提升应当在压降允许范围之内.c.流体横掠平直翅片时，速度场的变化相对平缓，脱体漩涡区域较大，不利于背风面换热；而对波纹翅片，流场速度变化剧烈，脱体区漩涡形成受阻，因而有利于背风面充分换热.d.雷诺数Re在400～1 500的范围内，波纹翅片的传热性能强于平直翅片的，因为，波纹翅片不仅可以加大流道的长度，而且它波纹状的流道使流体充分混合，从而增强了传热效果；波纹翅片改变了流体的速度场，减小了速度矢量和热流密度矢量的夹角，从而增强了场协同的程度，强化了换热［7］.e.空气入口速度在0.5～5.0 m／s时，倾角渐增波纹翅片的换热系数比平直翅片的高13.8%～29.3%，倾角渐增波纹翅片的压降损失比平直翅片的高14.1%～108.2%；均匀波纹翅片的换热系数比平直翅片的高8.3%～18.9%，均匀波纹翅片的压降损失比平直翅片的高10.0%～71.8%.因此，在实际工程应用中可以按照换热器的运行工况和使用条件选择不同类型的翅片.【相关文献】［1］陈莹，高飞，高冈大造，等.翅片管式换热器空气侧性能的数值模拟［C］∥中国制冷学会2009年学术年会论文集.北京：中国制冷学会，2009：1-5.［2］ Wongwises S，Chokeman Y.Effect of fin pitch and number of tube rows on the air side performance of herringbone wavy fin and tube heat exchangers［J］. Energy Conversion and Management，2005，46（13／14）：2216-2231.［3］ Jang J，Chen L K.Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in a three-dimensional wave-fin and tube heat exchanger［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1997，40（16）：3981-3990.［4］信石玉，崔晓钰.微肋角度对开缝翅片流动与传热性能影响的三维数值模拟［J］.上海理工大学学报，2009，31（6）：525-528.［5］王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004. ［6］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.［7］过增元.换热器中的场协同原则及其应用［J］.机械工程学报，2003，39（12）：1-9.。
通过改进翅片设计强化翅片管换热器的传热摘要这篇文章给出了一些仿效翅片管换热器设计的实验信息。
在这个实验中，利用风洞检测了三种不同的翅片（薄板翅片，波纹翅片，混合翅片）。
本文讨论了热交换系数、空气侧的压降，柯尔本系数（j）和相对于风速（1—3 m/s）、雷诺数（600-2000）的风管摩擦系数（f）。
为了能阐明流体流动的现象，实现了流动的可视化，以此观察流体复杂的流动特征。
实验结果显示：波纹翅片相对于薄板翅片来说，压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约10.9-31.9%，11.8-24.0%，2.2-27.5%和0.5-2.7%。
另外，混合翅片相对于薄板翅片的实验结果显示：压降，换热系数，f系数和j系数分别增加了大约33.5-63.1%，27.0-45.5%，6.9-71.1%和9.4-13.2%。
总之，这个实验结果强烈地支持热交换器采用混合翅片结构。
关键字传热系数，压降，测量，流动显示，换热器，波纹翅片，薄板翅片，混合翅片1.引言合理利用翅片对于提高圆管和薄板翅片换热器的性能是一个非常有效的方法，这种方法被广泛的应用在空调，制冷和工业处理过程的多种设备中。
我们已经知道在小型换热器中的空气流动是非常复杂的，这是翅片和空气流之间的复杂的作用造成的。
传统的翅片管换热器，空气的阻力占据了总的热阻力的90%。
所以，增加表面积经常能有效的提高翅片管换热器的整体性能。
在文献[1]中，薄板翅片管换热器的可用的实验信息已经被提出，评价和对照。
许多关于小型换热器的实验研究已经完成，利用紧凑型换热器加强建立在大范围空气流速上的换热性能和压降的协调性。
关于换热器的最新研究重点在于开发新的不规则表面，因此，翅片型的新的设计标准已经被提出[2-5]。
在文献[3]中Dong et al.用实验的方法研究了翅片间距，高度和长度对波纹翅片和薄板翅片管换热器的热交换性能和压降的影响。
在文献[6]中Metwally and Manglik研究了二维周期性发展的层流和换热，实验在不同波纹比率的正弦型波纹管中进行的。
一、前言随着科技、工艺的发展和能源的短缺，工业对换热器的依赖性越来越大，要求换热器设备紧凑、高效、轻巧，这促使人们去研究新型高效换热器，其中翅片管换热器是人们研究得最多的高效换热器之一。
经过多年的发展，翅片管换热器的管外翅片由无缝平直翅片发展成波纹翅片、百叶窗式翅片、开孔翅片，开缝翅片等多种高效形式。
相关学者对开缝翅片进行了一些研究。
蒋翔、李晓欣等人分析了在不同应用条件下翅片管的应用情况，并给出了应用结果，为翅片管换热器的应用方法提供了借鉴[1]；徐百平、吴清鹤等人建立了双缝翅片管翅式换热器三维物理模型，对换热器内的流动与传热进行了数值模拟研究。
结果表明，双缝片可使传热提高22.7%～42%[2]；Ju-Suk B 、Jinho L 等人通过安排翅片位置和改变翅片特性来研究翅片造成的压力降和传热特性，分别研究了百叶窗式翅片、双边开缝翅片、单边开缝翅片和无缝翅片的JF 因子[3]。
本文主要是通过对翅片管换热器进行模拟计算，研究其开缝形式和开缝大小对流动和换热性能的影响，最终确定合适的开缝翅片形式。
二、翅片管换热器模型的建立与计算1.确定模型。
本文所研究是某款空调室外机所用的翅片，所选用的翅片管式换热器初始结构参数如表1所示。
管束采用叉排形式，且成等边三角形分布，任一相邻两管的间距为25mm ，管外径9.52mm ，管壁厚1.2mm ，翅片厚1mm ，翅片间距为3mm 。
模型构建及数值模拟的部分如图1所示。
2.分析计算模型的类型。
本文主要对五种翅片开缝形式的翅片进行模拟计算，包括无开缝形式、三角开缝翅片管式换热器的换热与流动特性数值模拟张小青（青岛大学附属中学，山东青岛266071）摘要:翅片管换热器是一种高效换热器，为了进一步强化换热，对翅片换热器进行不同形式的开缝。
采用CFD 模拟方法对七种不同开缝形式的翅片管换热器流动和换热进行了数值模拟。
根据计算结果分析了不同开缝形式换热器的压降和温度分布，经过比较分析，最终确定了最佳的开缝形式。
T型翅片管管外沸腾强化传热的数值模拟研究秦政;刘闯;曹凯;门启明;杜柯江【摘要】利用计算流体力学软件Fluent,对T型翅片管和光滑管管外沸腾强化传热进行了数值模拟研究.结合T型翅片管的结构特点,分析了该换热管的沸腾强化传热机理.在所研究的范围内,T型翅片管管外沸腾传热系数最大时高于光滑管23.2％,强化传热效果明显.同时,综合评价了T型翅片管强化传热和增加压降的性能.研究结果表明,其强化传热综合性能评价因子在不同流速下均大于1,说明T型翅片管有较好的强化传热效果.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】5页(P47-51)【关键词】T型翅片管;沸腾;强化传热;数值模拟;换热管;流速;压降【作者】秦政;刘闯;曹凯;门启明;杜柯江【作者单位】上海船用柴油机研究所;中国石油吉林石化化肥厂;中国石油吉林石化建修公司;上海船用柴油机研究所;上海船用柴油机研究所【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5沸腾强化传热是强化传热技术中的一个重要领域。
沸腾强化传热主要是通过多孔表面增加汽化核心的方法来进一步提高设备的换热效率，更合理地利用能源［1-2］。
根据制造方法的不同可将多孔表面分为两类，一类为多孔覆盖表面，另一类为多孔开孔表面。
所谓多孔覆盖表面，就是在换热面上通过烧结、电镀等方法加工一层多孔层；所谓开孔表面，就是通过机械方法或者其他方法在光滑换热面上加工出凹槽、细缝等容易形成汽化核心的表面结构［3-4］。
本文研究的T型翅片管，其换热表面就是一种典型的机械加工多孔表面，具有加工过程简单、制造成本低等优点［5］。
T型翅片管在1978年就已问世，具有良好的沸腾强化传热效果，已得到了广泛的应用［6］。
近年来，随着数值模拟技术的逐渐完善，大量强化传热研究采用CFD 软件进行，但目前尚未见到采用数值模拟方法对T型翅片管管外沸腾传热进行研究的公开报道。
本文利用Fluent 14.0中的沸腾模型对T型翅片管管外沸腾传热进行模拟。
结合其管外温度、气相体积分数分布等数据信息，探讨T型翅片管管外沸腾强化传热的机理。
本研究也为Fluent软件在沸腾传热研究领域的应用提供了一定的参考。
本文研究的T型翅片管结构及几何参数如图1所示。
考虑到数值模型的简化以及网格划分问题，数值模型只保留200 mm的换热管长度。
用于对比的直管模型与T型翅片管相同，为Ø25×2.5×200换热管。
由于T型翅片管翅片尺寸相对较小，导致三维模型需要大量的网格，使计算变得更加复杂，且换热管为对称模型，因此本文采用一半换热管的二维模型进行计算。
数值模拟对象为管外沸腾强化传热，因此只建立了管外流动区域，其区域宽度为换热管间距的一半15.8 mm，长度为200 mm。
图2为T型翅片管翅片部分网格划分情况，可以看出，翅片部分网格较细。
沿着远离翅片的流体区域，网格逐渐变粗，并有平滑的过渡。
对于上述两种换热管划分若干种不同尺寸的网格并进行网格无关解验证，最终得到光滑管网格数为3800左右，T型翅片管网格数较多，为40 800左右。
选择欧拉多相流模型中的沸腾模型（boiling model），在沸腾选项中选择RPI沸腾模型（RPI boiling model）。
黏度选择标准k-epsilon模型，并选择标准壁面方程（standard wall functions）。
在Phases选项卡下Interaction中选择适用于本工况沸腾计算的计算模型。
设置模型左侧边为速度进口，右侧边为压力出口，出口压力为常压。
计算进口流速分别为1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s、1.8 m/s和2.0 m/s时管外沸腾传热情况。
光管下侧边和翅片管翅片侧为壁面边界，给定恒定壁温105℃，模型上部直边段设置为绝热壁面。
为了更加明显地观察沸腾现象，给定入口为饱和水（水温为100℃）。
设置速度压力求解器为Coupled，其余均为二阶迎风格式（second order upwind）。
松弛因子根据Fluent帮助文档中推荐值进行设置。
计算过程中监测出口的气相体积分数，以此来判断计算是否收敛。
2.1 速度云图分析图3为流速1.2 m/s时T型翅片管管外气相速度矢量图。
由图3可以看出，在流动区域内，气相速度逐渐增大，最大速度达到2.34 m/s，大于给定进口速度1.2m/s。
这是由于气体在产生过程中不仅受到流动液体的作用沿着流动方向继续流动，而且受到浮升力作用，两者叠加使流速增大。
同时，气泡的产生和破灭会不断扰动主流区域，使主流的湍流程度增加，也会使部分区域的流速增大。
图中对换热管末端翅片部位的气相速度矢量图进行了放大，可以看到，翅片位置产生的气相均在浮升力的作用下，朝着远离加热面的方向流动。
而且与主流区域相比，翅片位置液体流动并不剧烈，流速仅为0.2 m/s左右。
图4为光滑管管外沸腾工况下气相速度矢量图，气相流速最大为1.42 m/s，小于T型翅片管的2.34 m/s。
而且光滑管外流动比较有规律，其速度矢量基本上为平行矢量，方向也基本相同。
也就是说，由于光滑管管外没有凹坑和凸出物，相对而言不容易生成汽泡。
此外，翅片能够间接增大传热面积，因而翅片管更有利于传热。
2.2 气相分率及压降分析将进口流速为1.2 m/s时T型翅片管和普通光滑管计算域中心线上气相体积分数值示于图5中，图5（a）为T型翅片管气相体积分数分布，图（b）为光滑管气相体积分数分布。
可以看出，沿着中心线方向，两种换热管气相体积分数均呈递增趋势，且在流体流过一段距离后，增长速度增快。
对比两种换热管管外气相分布可以看出，T型翅片管管外气相体积分数大，两者最大值相差13%左右，而光滑管中心线气相体积分数最大也只有7%。
在进口流速及换热管壁面温度均相同的条件下，T型翅片管产生的蒸汽量大，传热量远大于普通光滑管。
图6为两种换热管沿中心线上混合相压力分布情况，图中横坐标为中心线上位置，纵坐标为混合相压力。
两种换热管压降趋势相同，沿着流动方向逐渐降低。
不同的是，由于翅片导致了更大的摩擦阻力损失，T型翅片管管外计算域中心线上压降更大，达到650 Pa左右，而光滑管只有225 Pa。
数值计算了不同流速下T型翅片管和光滑管管外沸腾传热情况。
图7所示为不同流速下两种换热管管外平均气相体积分数对比，随着流速的增加，两种换热管管外气相体积分数均呈减小趋势。
这种现象是由于流速的增加，使得冷流体受热时间减少，冷流体无法得到充分的加热，即在沸腾工况中冷流体没有得到充分的沸腾，因此其气相生成量也就随着流速的增加而减小。
图7也反应出T型翅片管沸腾传热能力强于光滑管，其管外平均气相体积分数远远高于光滑管。
流速为1.2 m/s时管外气相为光滑管的3.7倍多，2.0 m/s时最大，达到4.5倍。
机械加工得到的管外凹坑为气泡的形成提供了极为有利的条件，气泡的生成和破灭同时也在一定程度上增加了流动的湍流程度，进一步强化了换热管外沸腾传热。
另外，T型翅片管也在很大程度上增加了换热管的有效换热面积，使得传热量增大，气泡生成量增多。
图8为不同流速下两种换热管管外进出口压力降对比，可以看出，随着流速的增加，管外压降呈上升趋势，且T型翅片管上升速度更快，相差最多时为光滑管压降的3倍左右。
这是由于T型翅片管机加工表面引入了更大的流动阻力，因此对于这种强化换热管的使用，不仅要考虑到其强化沸腾传热的优点，同时也要考虑其较大的流动压降。
从计算结果中调出传热面上的热流量，再根据壁温和流体温度计算得到两种换热管的管外侧沸腾传热系数，将其绘于图9中，图中横坐标为流体流速，纵坐标为传热系数。
对比两种换热管的传热系数发现，T型翅片管管外沸腾传热系数在不同流速下均高于光滑管，平均高于光滑管20%左右。
在低流速下强化沸腾传热效果更加明显，1.2 m/s时达到23.2%；2.0 m/s时强化效果较差，也有18.7%。
因此，机械加工表面T型翅片管对于管外沸腾强化传热效果明显，而且在低流速下强化效果更好。
2.3 强化传热综合性能评价强化传热通过传热评价因子η来评估。
当η大于1时，表明在相同的换热管输送功率下，强化传热管传递的热量大于基准管。
η值越大，传热管增强传热的能力越强。
η计算式如下所示：式中Nu——努赛尔数，无因次；f——阻力因子，无因次；下标0——表示光滑管。
图10为T型翅片管强化传热综合性能评价因子η随流速的变化情况，图中的η都大于1，说明T型翅片管有很好的强化传热效果。
由图10可见：η值随流速的增大而减小，在低流速情况下η值较大，强化沸腾传热效果较好，而在高流速情况下η值相对更趋近于1，强化传热效果相对不明显。
这是由于在低流速时，翅片管生成汽泡较多，同时造成了相对比较强烈的扰动；而在流速较高时，汽泡没有低流速时产生量多，且流速较高时本身湍流程度会比较高，此时扰动影响的比例就会比较小。
（1）机械加工得到的管外凹坑可以产生大量的汽化核心，使得T型翅片管的汽泡生成和破灭频率非常高，这一过程产生的扰动破坏流体与管道壁面之间的边界层，使传热得到强化。
另一方面，T型翅片管也在很大程度上增加了换热管的有效换热面积，使得传热量增大，气泡生成量增多。
在本文研究范围内，流速为1.2 m/s时管外气相为光滑管的3.7倍多，2.0 m/s时最大，达到4.5倍。
（2）对比T型翅片管与光滑管的管外沸腾传热系数发现，T型翅片管管外沸腾传热系数在不同流速下均高于光滑管，平均高出光滑管20%左右。
在低流速下强化沸腾传热效果更加明显，1.2 m/s时达到23.2%，2.0 m/s时强化效果较差，也有18.7%。
（3）在提高传热效率的同时，翅片结构也相应地引入了更大的流动阻力，使管外流动的进出口压降增大。
但其强化传热综合性能评价因子η在不同流速下均大于1，说明T型翅片管有很好的强化传热效果。
在低流速情况下，沸腾强化传热效果较好；在高流速情况下，强化效果相对不明显。
【相关文献】［1］林宗虎.强化传热及工程应用［M］.北京：机械工业出版社，1987.［2］朱冬生，钱颂文，马小明，等.换热器技术及发展［M］.北京：中国石化出版社，2008. ［3］Gottzmann C F，et al.High efficiency heat exchangers［J］.Chemical Eng Progress，1973，69（7）：69-75.［4］李冀.多孔表面管在炼油装置上的应用［J］.石油炼制与化工，1999，30（11）：64-65. ［5］庄礼贤，崔乃英，阮志强，等.机械加工表面对空管的沸腾传热试验［J］.工程热物理学报，1982，3（3）：242-248.［6］梁龙虎.T型翅片管重沸器传热性能研究与工业应用［J］.炼油设计，2001，31（4）：20-22.。
