唐凌虹， 杜雪平， 曾 敏

(1.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710065； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116； 3.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，西安 710049)

進(jìn)風(fēng)角度對橢圓管翅式換熱器流動性能的影響

唐凌虹1， 杜雪平2， 曾 敏3

(1.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710065； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116； 3.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，西安 710049)

基于多孔介質(zhì)模型，對兩排橢圓管翅式換熱器實驗元件在不同進(jìn)風(fēng)角度(30°、45°、60°和90°)下的流動性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，研究了不同進(jìn)風(fēng)角度下?lián)Q熱器迎風(fēng)面氣流速度的分布.結(jié)果表明：在進(jìn)風(fēng)角度測試范圍內(nèi)，隨著進(jìn)風(fēng)角度的減小,換熱器流動阻力損失增大；不同進(jìn)風(fēng)角度時總壓差Δp計算結(jié)果與實驗結(jié)果的差別均小于7%；進(jìn)風(fēng)角度為90°時兩相鄰橢圓管間通道速度分布最均勻.

橢圓管翅式換熱器； 進(jìn)風(fēng)角度； 流動； 多孔介質(zhì)

隨著水資源的日益匱乏以及全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)問題的高度重視，電廠傳統(tǒng)的水冷方式因消耗大量水資源，且會對環(huán)境造成一定負(fù)面影響而面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn).相對于水冷方式，電廠空冷方式在節(jié)約水資源和保護(hù)環(huán)境等方面有著不可替代的優(yōu)越性.在電廠空冷系統(tǒng)中，空冷換熱器是一個重要元件，其最常用的結(jié)構(gòu)類型是管翅式換熱器，主要有單排扁平管翅式換熱器、兩排橢圓管翅式換熱器和三排橢圓管翅式換熱器[1].關(guān)于橢圓管翅式換熱器的流動換熱性能，前人已進(jìn)行了大量研究[2-7].結(jié)果表明，增大換熱管的橢圓率不但可以達(dá)到強化傳熱的目的，還可以明顯降低翅片側(cè)和空氣側(cè)的阻力損失，有效減少能源消耗.上述研究中流體流動方向一般垂直于換熱器迎風(fēng)面，但對于電廠空冷系統(tǒng)中的空冷換熱器來說，大多數(shù)情況下空氣進(jìn)口方向一般不垂直于換熱器迎風(fēng)面，而是帶有一定的夾角，因此有必要研究不同進(jìn)風(fēng)條件下管翅式換熱器流動換熱的性能.張鵬等[8]對不同進(jìn)風(fēng)角度下鋼制橢圓管翅式換熱器的流動換熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)角度的增大對換熱器空氣側(cè)傳熱系數(shù)的影響不大，而對流動阻力的影響較大.陳萍等[9]通過實驗研究了不同傾斜角度下管翅式換熱器的流動換熱性能，結(jié)果表明傳熱系數(shù)受進(jìn)風(fēng)條件以及換熱器傾斜角度的影響較大，同時換熱器傾斜角度越大，壓降越大.汪吉平等[10]通過數(shù)值計算方法研究了V形布置管翅式換熱器的流動換熱性能，結(jié)果表明適當(dāng)?shù)卦龃笤摀Q熱器之間的角度，可以提高分布在換熱器翅片表面空氣流的均勻性，增強換熱器的綜合換熱性能.Zhang[11]將板翅式換熱器芯體等效為多孔介質(zhì)模型，采用Fluent軟件對不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣側(cè)流動性能參數(shù)進(jìn)行了計算，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比.Liu等[12]數(shù)值研究了不同進(jìn)風(fēng)角度對板翅式換熱器空氣側(cè)的流動換熱性能.關(guān)于不同進(jìn)風(fēng)條件下?lián)Q熱器的流動換熱性能，還有一些研究成果可供參考[13-18].

換熱器迎風(fēng)面氣流速度分布與換熱器流動換熱性能密切相關(guān)，但是針對橢圓管翅式換熱器整體性能方面的研究較少.因此，筆者對不同進(jìn)風(fēng)角度下兩排橢圓管翅式換熱器的流動性能進(jìn)行了實驗和數(shù)值計算模擬，對進(jìn)風(fēng)角度的影響進(jìn)行了分析，并對不同進(jìn)風(fēng)角度下?lián)Q熱器迎風(fēng)面的氣流速度分布進(jìn)行了研究，為相關(guān)的工程應(yīng)用研究和設(shè)計體系的完善提供理論參考.

1 實驗裝置及結(jié)果分析

1.1 實驗裝置及實驗數(shù)據(jù)整理

本實驗在吸風(fēng)式風(fēng)洞實驗臺上進(jìn)行，實驗元件的迎風(fēng)面尺寸為600 mm×320 mm.空氣吹入方向與實驗元件的夾角為60°時，實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由空氣回路與水回路2部分組成，換熱器流動性能測試(即冷態(tài)性能測試)只采用空氣回路.

為了研究進(jìn)風(fēng)角度對空冷換熱器流動性能的影響，本實驗對進(jìn)風(fēng)角度θ為90°(空氣垂直吹入換熱器)、60°、45°和30° 4個角度下的換熱器阻力性能參數(shù)進(jìn)行了測量，實驗元件位置如圖2所示.實驗中，將進(jìn)風(fēng)角度定義為空氣來流方向與換熱器迎風(fēng)面的夾角，即空氣來流方向與空冷換熱器中的橢圓管短軸方向的夾角(見圖3).

1-風(fēng)洞入口；2-過渡段；3-收縮段；4-穩(wěn)定段；5-實驗段；6-穩(wěn)定段；7- 收縮段；8-測速段；9-過渡段；10-風(fēng)機；11-加熱棒；12-水箱；13-閥門；14-水泵；15-渦輪流量計；16-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；17-熱電偶網(wǎng)；18-U形管差壓計.

圖2 換熱器實驗元件

實驗元件橢圓管和翅片材料均為碳鋼，翅片形式為矩形翅片，示意圖見圖4，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.

橢圓管當(dāng)量直徑Dc的表達(dá)式[19]如下：

(1)

式中：a為橢圓的長半軸長：b為橢圓的短半軸長.

空氣側(cè)的ReDc定義如下：

(2)

式中：umax為最窄截面流速，umax=ufr/σ，其中ufr為換

Fig.4 Schematic diagram of the two-row finned oval-tube heat exchanger

表1 實驗元件結(jié)構(gòu)參數(shù)

熱器迎風(fēng)面速度，σ為收縮比；ρ為空氣密度；μ為空氣動力黏度.

通過U形管差壓計測出空氣側(cè)的壓降，獲得阻力數(shù)據(jù)，根據(jù)下式計算阻力因數(shù)f：

(3)

式中：L為流動方向翅片長度：Δp為換熱器元件空氣側(cè)進(jìn)出口的總壓差.本實驗所得的f的不確定度為7.3%.

1.2 實驗結(jié)果及分析

不同進(jìn)風(fēng)角度下兩排橢圓管翅式換熱器空氣側(cè)阻力性能的實驗結(jié)果見圖5和圖6.由圖5和圖6可知，在實驗測試的ReDc范圍或迎風(fēng)面速度范圍內(nèi)，30°進(jìn)風(fēng)角度時實驗元件的f和Δp最大，45°進(jìn)風(fēng)角度時次之，90°進(jìn)風(fēng)角度時最小.與進(jìn)風(fēng)角度為90°時的f相比，60°進(jìn)風(fēng)角度時f平均增大1.8%，45°進(jìn)風(fēng)角度時f平均增大9.9%，30°進(jìn)風(fēng)角度時f平均增大13.9%.這是因為當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度小于90°時，空氣進(jìn)入換熱器時流動方向要發(fā)生改變，導(dǎo)致局部阻力損失增大，同時使得進(jìn)入換熱器的空氣流動不均勻，進(jìn)而使流動過程中沿程阻力增大.進(jìn)風(fēng)角度越小，這種影響越大，因此進(jìn)風(fēng)角度為30°時實驗元件的阻力損失最大.

圖5 不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣側(cè)f實驗結(jié)果的對比

圖6 不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣側(cè)Δp實驗結(jié)果的對比

1.3 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式擬合

考慮到換熱器進(jìn)風(fēng)角度的影響，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可擬合得到兩排橢圓管翅式換熱器實驗元件的流動性能經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式為：

(4)

其中，ReDc適用范圍為4 000～7 500，θ適用范圍為30°～90°.

利用式(4)得到的f與實驗結(jié)果進(jìn)行對比(見圖7)，其中下標(biāo)e為實驗結(jié)果，下標(biāo)c為由經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式所得到的計算結(jié)果.從圖7可以看出，所有f的誤差都落在±6.7%以內(nèi).

圖7 f實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比

Fig.7 Comparison offfactor between experimental data and simulation results

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

流體在換熱器內(nèi)的流動性能可用基于多孔介質(zhì)模型的數(shù)值方法來進(jìn)行模擬，這方面已有很多成功應(yīng)用[11, 20].多孔介質(zhì)的控制方程與標(biāo)準(zhǔn)控制方程有所區(qū)別，但同樣滿足連續(xù)性方程和動量方程.

多孔介質(zhì)連續(xù)性方程與標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)性方程一樣，這里不再贅述.多孔介質(zhì)動量方程是在標(biāo)準(zhǔn)動量方程基礎(chǔ)上附加動量源項而得到的[21]，源項由黏性阻力損失和慣性阻力損失2部分組成，可表示為：

(5)

式中：Si為i向動量源項；uj為j向速度分量;Dij為黏性系數(shù)；Cij為慣性阻力系數(shù).

流體橫掠流過管束時，即使整個進(jìn)口的速度分布均勻，在管束背后仍然會出現(xiàn)漩渦，由于漩渦的形成，一部分能量消耗在漩渦的產(chǎn)生上，因此此時的流動阻力應(yīng)考慮摩擦阻力和由于旋流所產(chǎn)生的形狀阻力.Zhang等[22]對x、y和z方向上的流動阻力Rx、Ry和Rz進(jìn)行了定義：

(6)

式中：U為合速度矢量；ξx、ξy和ξz分別為x、y和z方向上的壓力損失系數(shù)，主要采用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式定義多孔介質(zhì)上的流動阻力，詳細(xì)的計算方法見文獻(xiàn)[22].

數(shù)值方法采用Ansys Fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，速度和壓力的耦合問題采用SIMPLEC算法處理，對流項的離散格式為QUICK格式.計算區(qū)域的各邊界條件為：入口邊界為速度入口邊界條件，出口邊界假定流體流動達(dá)到充分發(fā)展，固體壁面均為Wall邊界條件.采用Gambit生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖8為進(jìn)風(fēng)角度為60°時計算模型網(wǎng)格劃分示意圖，在計算之前對計算模型的網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行了考核，計算采用的網(wǎng)格數(shù)量為1 206 200.

圖8 進(jìn)風(fēng)角度為60°時的模型網(wǎng)格

2.2 計算結(jié)果及分析

為了研究更多進(jìn)風(fēng)角度對換熱器流動性能的影響，在進(jìn)行數(shù)值計算時，將進(jìn)風(fēng)角度的范圍增大為15°～90°.圖9給出了進(jìn)風(fēng)角度為60°時,壓力損失實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比.圖10為不同進(jìn)風(fēng)角度下?lián)Q熱器壓力損失的計算結(jié)果.在迎風(fēng)面速度計算范圍內(nèi)，由圖6實驗結(jié)果和圖10計算結(jié)果可知，90°進(jìn)風(fēng)角度時實驗結(jié)果與計算結(jié)果的最大偏差為6.8%，60°進(jìn)風(fēng)角度時最大偏差為4.6%，45°進(jìn)風(fēng)角度時最大偏差為5.3%，30°進(jìn)風(fēng)角度時最大偏差為5.4%，這表明計算模型和計算方法是可靠的.由圖10可知，15°進(jìn)風(fēng)角度時Δp最大，30°進(jìn)風(fēng)角度時Δp次之，90°進(jìn)風(fēng)角度時Δp最小，這與實驗結(jié)果是相符的.

圖9 進(jìn)風(fēng)角度為60°時Δp實驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比

Fig.9 Comparison of Δpbetween experimental data and simulation results at air inlet angle of 60°

圖10 不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣側(cè)Δp計算結(jié)果的對比

Fig.10 Comparison of air-side Δpbetween experimental data and simulation results at different air inlet angles

圖11給出了不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣平均迎風(fēng)面速度為2 m/s時y=0截面的速度矢量圖.由圖11可知，隨著進(jìn)風(fēng)角度的減小，空氣流經(jīng)換熱器的流動不均勻度增大.

圖12為不同進(jìn)風(fēng)角度下空氣平均迎風(fēng)面速度為2 m/s時兩相鄰橢圓管間通道平均速度的分布圖，z=0對應(yīng)換熱器下部，z=1對應(yīng)換熱器上部.由圖12可知，90°進(jìn)風(fēng)角度時兩相鄰橢圓管間通道速度分布最均勻，以z=0.5為中心對稱分布，60°進(jìn)風(fēng)角度時兩相鄰橢圓管間通道速度分布對稱性較差，但也比較均勻，隨著進(jìn)風(fēng)角度繼續(xù)減小，z方向上的速度分布均勻程度變差，導(dǎo)致空氣流經(jīng)換熱器的阻力損失增大.由于換熱器空氣側(cè)迎風(fēng)面速度分布與換熱性能，因此掌握不同進(jìn)風(fēng)角度時迎風(fēng)面速度分布規(guī)律對換熱器換熱性能的設(shè)計尤為重要.

(a) 進(jìn)風(fēng)角度90°

(b) 進(jìn)風(fēng)角度60°

(c) 進(jìn)風(fēng)角度45°

(d) 進(jìn)風(fēng)角度30°

(e) 進(jìn)風(fēng)角度15°

圖11 不同進(jìn)風(fēng)角度時y=0截面速度矢量圖(空氣平均迎風(fēng)面速度為2 m/s)

Fig.11 Velocity distribution at different air inlet angles ony=0 cross section (ufr=2 m/s)

圖12 不同進(jìn)風(fēng)角度時z方向上的速度分布(空氣平均迎風(fēng)面速度為2 m/s)

Fig.12 Velocity distribution at different air inlet angles inzdirection (ufr=2 m/s)

3 結(jié) 論

(1) 在實驗測試的ReDc范圍或迎風(fēng)面速度范圍內(nèi)，30°進(jìn)風(fēng)角度時實驗元件的阻力因數(shù)f和總壓差Δp最大，45°進(jìn)風(fēng)角度時次之，90°進(jìn)風(fēng)角度時最小.

(2) 流體在換熱器內(nèi)的流動性能可用基于多孔介質(zhì)模型的數(shù)值方法來進(jìn)行模擬，不同進(jìn)風(fēng)角度時Δp計算結(jié)果與實驗結(jié)果的差別均小于7%.

(3) 進(jìn)風(fēng)角度為90°時兩相鄰橢圓管間通道速度分布最均勻，以z=0.5為中心對稱分布，隨著進(jìn)風(fēng)角度的減小，z方向上的速度分布均勻程度變差.

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Influence of Air Inlet Angle on Flow Characteristics of a Finned Oval-tube Heat Exchanger

TANGLinghong1,DUXueping2,ZENGMin3

(1. Mechanical Engineering College, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China; 2. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China; 3. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering, Ministry of Education, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Numerical simulation was conducted on the flow characteristics of a finned heat exchanger with two rows of oval tube using porous media model at following air inlet angles, such as 30°, 45°, 60° and 90°, respectively, and subsequently the simulation results were compared with experimental data, so as to analyze the effects of air inlet angle on the distribution of exchanger face velocity. Results show that within the test range of air inlet angle, the flow resistance loss of heat exchanger increases with reducing air inlet angle; the error Δpbetween calculation results and experimental data is less than 7% at different inlet angles of air; the most uniform flow distribution can be achieved when the inlet angle between two neighboring oval tubes is set to be 90°.

finned oval tube heat exchanger; air inlet angle; flow; porous media

1674-7607(2017)08-0649-06

TK124

A

470.10

2016-08-15

2016-09-18

陜西省教育廳科研計劃資助項目(16JK1600)；國家教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”資助項目(NCET-13-0463)

唐凌虹(1979-)，男，湖北襄陽人，講師，博士后，研究方向為強化傳熱技術(shù).電話(Tel.):029-88382619; E-mail：lhtang97@163.com．