江樂新，黃明登，范國榮

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

縱翅片結構形式對管換熱器性能的影響

江樂新，黃明登，范國榮

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083）

提出了一種可改善換熱效率的百葉窗式縱翅片換熱管的結構模型，對其進行簡化，采用Fluent軟件對換熱管煙氣側流動與傳熱過程進行數(shù)值模擬，對比了兩種百葉窗縱翅片與普通縱翅片的換熱效率與壓降，結果發(fā)現(xiàn):百葉窗式縱翅片傳熱效果比普通縱翅片高130%以上。模擬了6組不同流體入口速度下傳熱與壓降的變化情況，分析了百葉窗翅片間距與傾斜角度對傳熱與壓降的影響，結果表明:入口速度越大，進出口溫差越小，壓降越大；翅片間距越大，進出口溫差和壓降都越小；翅片傾斜角度越大，換熱效果相差不大，壓降越大。搭建了簡易實驗平臺對模擬結果進行驗證。

縱翅片換熱管；百葉窗；煙氣側；數(shù)值模擬

管式換熱器作為一種高效率的換熱元件被廣泛用于冶金、石油、化工、能源等行業(yè)的煙氣余熱回收工程，其最大特點是結構形式多樣，換熱效率高，其結構形式多樣性主要體現(xiàn)在翅片的結構多樣性，目前使用最多的是圓形翅片管換熱器[1]，如圖1所示。

圖1 圓形翅片管換熱器

圓形翅片管換熱器由于管翅分布密集程度高而具有很高的換熱效率，在用于工業(yè)煙氣余熱回收時，由于煙氣雜質顆粒較大，與翅片直接碰撞接觸，常常出現(xiàn)污垢堵塞、清理困難、使用壽命短等問題。近幾年一種翅片沿空氣流動方向布局的縱翅片管換熱器開始應用于余熱回收，其翅片結構形式如圖2所示。

縱翅片管換熱器中氣流沿翅片方向流動，克服了污垢堵塞問題，且前后通透性較高，清洗方便，但是此種換熱器由于空氣直接流過翅片，氣流多數(shù)情況下處于層流狀態(tài)，缺少氣流的擾動傳熱過程，使得其換熱效率不夠理想。

針對此問題，本文提出一種新型的縱翅片管換熱器，將具有高換熱效率特點的百葉窗結構應用于縱翅片管結構。這種設計思想源于前人對百葉窗翅片與縱翅片結構的研究。

關于百葉窗結構的研究，國內(nèi)外學者做了大量的工作，王任遠等[2]建立了散熱器空氣側的百葉窗翅片三維流固耦合模型并對其進行模擬，得到了一組綜合性能較好的翅片結構參數(shù)。朱詢[3]、田曉虎[4]與Malapure[5]等研究結果相對較為一致，都針對翅片間距、百葉窗間距、百葉窗角度和翅片寬度的影響做了研究。他們認為：增加翅片間距會使的壓力損失減少但卻不利于換熱，且這一影響會隨著雷諾數(shù)的增加變得更明顯。

在縱翅片換熱器的研究領域中，邱燕等[6]對對流換熱器進行了研究，分析了封閉空間內(nèi)縱向外翅片結構參數(shù)與對流傳熱之間的關系，封閉式對流換熱管如圖3所示。研究找出了翅片管散熱量最大時的翅片夾角值，并獲得了豎直縱向外翅片管的自然對流換熱準則關系式，擬合準則式與計算結構偏差平均為3.53%。然而這種結構的對流換熱效率依然較低，難以應用于煙氣余熱回收工程中。

本文提出的新型百葉窗式縱翅片換熱器能有效解決縱翅片管換熱效率低的問題，采用數(shù)值模擬方法對百葉窗式縱翅片結構進行了分析，旨在找出最佳結構參數(shù)并分析其與傳熱與流動性能之間的關系，為這種新型的換熱器提供理論依據(jù)。

圖2 縱翅片管換熱器

圖3 封閉式縱向翅片管

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型的建立及簡化

本文提出的百葉窗式縱翅片是普通縱翅片與百葉窗結構的結合體，如圖4所示。

圖4(b)、(c)中百葉窗式縱翅片圍繞基管共12排，每排有多根細小翅片呈沿基管軸向傾斜一定角度排列，與平行流百葉窗類似。Lyman[7]、Suga[8]和Aoki[9]等建立了百葉窗的二維模型，并采用Fluent進行數(shù)值計算得出百葉窗傾斜角度在20°～30°之間時換熱效率最高，故本模型中翅片與基管軸線夾角取30°。由于基管上的12排翅片具有一致性，故可將模型簡化為對一排翅片的數(shù)值模擬，本研究選取煙氣側一排翅片，并忽略圓周弧度對模型的影響，建立如圖5所示的百葉窗縱翅片模型。

1.2 計算模型

建立的模型在煙氣側z軸方向具有一致性，而又是對百葉窗翅片對空氣流動及換熱特性的研究，故可將模型再一次進行簡化，將z軸方向簡化成一個面，上述三維模型變成了二位模型，且模擬結果不會受到影響。文中的二維計算模型主要結構參數(shù)初始值如圖6和表1所示。

1.3 控制方程

圖4 百葉窗縱翅片對比

圖5 百葉窗縱翅片基本物理模型

圖6 百葉窗縱翅片2D計算模型

表1 百葉窗縱翅片模型參數(shù)

連續(xù)性方程

動量守恒方程

能量守恒方程

式中，u、v分別為x、y方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體黏性系數(shù)，kg/(m·s)；p為流體內(nèi)部壓力，Pa；cp為流體比熱容，J/(kg·K)；λ為流體的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；T為流體溫度，℃。

1.4 邊界條件

簡化后的二維模型如圖6所示，左側為速度入口邊界，取值3.4m/s，溫度453K，由于出口速度與壓力未知，故采用自由出口邊界，上下面為周期性邊界，翅片材質為鋁，傳熱系數(shù)為166W/(m2·k)。

2 結果與分析

2.1 不同形式翅片流動特性對比

圖7為相同入口溫度和速度流經(jīng)3種翅片的流動特性圖。從圖7中可以看出，設定入口為速度入口時，流經(jīng)3種不同形式的翅片管速度沒有降低，反而升高，這是因為入口速度及流量一定時，當通道橫截面突然變窄使得氣流積聚通過，流速上升。尤其是在百葉窗附近速度梯度較大位置，邊界層最薄，有利于增加對氣流的擾動，換熱更為充分，3種形式中，c類型內(nèi)部速度梯度變化最大，擾度程度最大，b類型次之，a類型最小。

從Fluent后處理中的Report中得出數(shù)據(jù)進出口壓降的變化，a類型為5.82Pa，b類型為50.95Pa，c類型為59.60Pa，可見百葉窗縱翅片的壓降要遠遠大于普通縱翅片，這是因為百葉窗增加了翅片對空氣的擾動，增加其換熱效率的同時也增加了了壓降。

圖8為溫度云圖。從圖8中較為明顯地可以看出，b類型、c類型兩種百葉窗縱翅片出口溫度明顯要低于普通縱翅片，但b類型、c類型哪種形式的百葉窗傳熱效果更好從圖中幾乎看不出來，還需通過數(shù)據(jù)比較。從Report中得出數(shù)據(jù)，當3種翅片入口溫度均為453K時，a類型出口溫度平均溫度為423.36K，b類型為384.23K，c類型為382.28K，由此可見c類型百葉窗翅片傳熱效果要略好于b類型，兩者傳熱效果遠高于普通縱翅片a類型，分別高出132.02%與138.60%。

圖7 速度云圖

2.2 流速對流動與傳熱的影響

選取c類型縱翅片作為研究對象來分析流速對流動與傳熱的影響。設定入口速度分別為1.0m/s、1.8m/s、2.6m/s、3.4m/s、4.2m/s、5.0m/s共6組進行模擬，氣流沿模型流通過程主要是通過翅片進行熱量傳輸，因此，可以將進出口溫度差作為衡量其傳熱性能好的好壞，對進出口壓差可以作為其流動特性的優(yōu)良衡量標準。圖9和圖10分別為c類型百葉窗縱翅片在不同入口速度下的進出口溫差圖和壓降圖。

從圖9、圖10可以看出，入口速度對進出口溫差和壓降的影響都很大，進出口溫差隨著入口速度的增大而降低，這是因為氣體流速越大，有限時間內(nèi)換熱不夠充分，造成換熱量降低。進出口壓差隨著入口速度增大而增大，速度為5.0m/s時壓降是速度為1.0m/s時的10倍，這是由于當速度過大，氣流分子與翅片的碰撞越激烈，動能減小，壓降增大，同時，氣體分子與翅片的碰撞使氣流擾動程度增加，故換熱效率增加，進出口溫差增大。

2.3 縱翅片結構參數(shù)對流動與傳熱效果的影響

2.3.1 百葉窗翅片間距對流動與傳熱效果的影響

百葉窗翅片間距決定了翅片的密集程度，而密集度的高低對流動及換熱有很大的影響，圖11是當入口速度為3.4m/s時，幾組不同翅片間距的進出口溫差與壓降圖。

圖8 溫度云圖

從圖11中可以看出，隨著翅片間距的增大，進出口溫差程直線下滑狀態(tài)，翅片間距越大，出口溫度也越大，單位時間內(nèi)帶走的熱量減小，換熱效率下降，這是因為翅片間距的增加減小了對氣流的擾動程度，對流換熱不夠充分所致。

當入口速度在3.4m/s時，進出口壓降翅片間距變化圖如圖12所示。從圖12中可以看出，進出口壓降隨翅片間距增大而減小，且變化幅度較大，說明翅片間距對壓降影響很明顯，這是因為翅片間距的大小決定氣流擾動程度，間距越大擾動程度越小，壓降減小。

2.3.2 百葉窗翅片傾斜角度及長度對流動與傳熱效果的影響

為保證縱翅片管周向翅片組數(shù)一直，翅片管周向每排翅片空間寬度H值保持不變，每根翅片管排數(shù)也就不變。研究百葉窗傾斜角度對流動及換熱的影響時，取La為22°、26°、30°、34°共4組，入口溫度設定為453K，入口速度為3.4m/s，進出口溫差、壓降與百葉窗翅片傾斜角度的關系模擬結果如圖13、圖14所示。

從圖13中可以看出，在百葉窗翅片傾斜角度在22°～30°時，進出口溫差差別不大，幅度在5K內(nèi)。從圖14中可以看出，進出口壓降隨百葉窗翅片傾斜角度增加而增大，這是因為當La增大，翅片橫截投影長度也增大，在流體流動方向的阻力也越大，壓降隨之增大。當La高于30°后，壓降增加幅度急劇上升。綜合換熱效果的影響，翅片傾斜角度在22°～30°之間時，傳熱效果差不多，但壓降值處于較低水平，綜合性能達到最佳，這與Lyman[7]研究普通百葉窗傳熱性能達到最佳值時，百葉窗翅片傾斜角度在20°～30°之間的結果相吻合，也說明了縱翅片百葉窗的散熱性能與普通尺寸百葉窗散熱性能有一定程度的相似度。也可以得出結論，縱翅片百葉窗設計過程要根據(jù)實際煙氣參數(shù)進行，找到合適參數(shù)使傳熱效率與壓降達到平衡，獲得換熱器的最佳效果。

圖9 進出口溫差隨入口速度變化關系

圖10 進出口壓降隨入口速度變化關系

圖11 進出口溫差隨翅片間距變化

圖12 壓降隨翅片間距變化

圖13 溫差隨翅片傾斜角度變化

圖14 壓降隨翅片傾斜角度變化

2.4 模擬結果驗證

為驗證普通縱翅片換熱器與百葉窗縱翅片換熱器的換熱效果差異，搭建了如圖15所示的煙氣余熱回收簡易實驗平臺。

實驗平臺中用熱風爐代替高溫熱爐，輸出溫度為453K的高溫熱氣，通過縱翅片管與低溫自來水逆向而行，進行換熱。由于實驗條件有限，本實驗在換熱器處只采用單根縱翅片管進行實驗室，雖然會影響換熱效率的大小，但對換熱效果的優(yōu)劣比較結果與實際一致。

實驗在煙氣與低溫自來水的出入口收集溫度數(shù)據(jù)，出口煙氣溫度與自來水溫度隨煙氣入口速度變化的曲線圖如圖16、圖17所示。

在煙氣入口溫度、速度等條件完全相同的情況下，流經(jīng)不同類型縱翅片的煙氣出口溫度不同，如圖16所示，c類型的百葉窗換熱管出口溫度最低，說明換熱效果最佳，b類型的效果較c類型略差，a類型最差，這與模擬結果完全一致。圖17中的數(shù)據(jù)曲線與圖16相呼應，出口溫度越低，表明換熱進行地越充分，熱量傳入低溫自來水使其溫度升高。從圖17中也可以看出，c類型的百葉窗換熱效果最好，自來水溫度出口溫度最高，b類型其次，a類型最差，3種縱翅片管換熱器效果對比結果與模擬結果一致。

實驗平臺測出的溫度數(shù)據(jù)不能代表縱翅片換熱器產(chǎn)品的實際效果，這是由于實驗條件所限，一部分熱量會通過管壁散發(fā)，單根換熱管效果必然差于由多根換熱管組成的縱翅片換熱器。但是，本研究旨在對比3種不同類型的縱翅片換熱效果，所以，實驗結果具有很強的參考價值，結果充分驗證了前文模擬結果的正確性。

圖15 不同縱翅片管換熱器對比實驗系統(tǒng)

圖16 煙氣出口溫度隨入口速度變化關系

圖17 自來水出口溫度隨煙氣入口速度變化關系

3 結 論

（1）為比較不同類型翅片對流動及換熱性能的影響，可將三維模型簡化為二維，模擬結果表明百葉窗縱翅片比普通縱翅片換熱性能要高出130%以上，但壓降也隨之大大增加。c類型百葉窗換熱器換熱能力最好。

（2）分析了在6組不同氣流入口速度時，換熱效率和壓降的變化情況，結果表明，入口速度越大，進出口溫差越小，壓降呈趨近指數(shù)函數(shù)曲線增加，氣流入口速度為5.0m/s時的壓降是1.0m/s時的近10倍。

（3）模擬了百葉窗的翅片間距與翅片傾斜角度對換熱與壓降的影響，結果發(fā)現(xiàn)翅片間距對換熱效率的影響要大于翅片傾斜角度。翅片間距越大，氣流進出口溫差越小，壓降也越小。百葉窗翅片傾斜角度在22°～30°范圍內(nèi)對換熱效率影響變化不大，出口溫度相差在5K以內(nèi)。百葉窗翅片傾斜角度越大，進出口壓降也越大，當傾斜角度超過30°時，壓降增加幅度大幅提升。

[1] 王巧麗. 余熱回收翅片管換熱器傳熱與流體力學特性研究[D]. 廣州：華南理工大學，2010.

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Influences of heat exchanger with different types of longitudinal louver fin on heat recovery performances

JIANG Lexin，HUANG Mingdeng，F(xiàn)AN Guorong
（Mechanical Department of Central South University，Changsha 410083，Hunan，China）

Longitudinal finned tube heat exchanger is a new type of tube heat exchanger used in flue gas heat recovery. In order to improve the heat transfer efficiency，the structural model of a new type of longitudinal louvered fin tubes was proposed and simplified. Using Fluent Software，the process of flow and heat transfer in gas phase was simulated for the longitudinal louver fined heat exchangers，and the transfer efficiency and pressure drop of two types of longitudinal louver fin and the common type exchanger were compared. The results showed that the heat transfer efficiency of longitudinal louvered fin heat transfer were over 130% higher than that of the common type. This paper simulates the changes of transfer and pressure drop at six different inlet velocities，and analyzed the influences of heat transfer and pressure drop caused by the difference of spacing and inclination angles on longitudinal louver fin. The results showed that at higher inlet velocities， the range of temperature was smaller，and the pressure drop was bigger. At bigger spacing the range of temperature and pressure drop were both smaller. Bigger inclination angles resulted in bigger pressure drop，but had little impact on heat exchange effects.

longitudinal fin transfer；louver fin；in sides of gas flow；numerical simulation

TK 124

A

1000-6613（2014）08-1963-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.004

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-17。

湖南省科技重大專項項目（K0904031-11）。

及聯(lián)系人：江樂新（1959—）女，副教授，主要從事綠色制造、能源高效利用技術及裝備的研究。E-mail csjlx9sina.com。