范繼珩 馮 毅 陳 強

?

鋁翅片油冷卻器換熱性能的數(shù)值分析及實驗研究

范繼珩 馮 毅 陳 強

（華南理工大學機械與汽車工程學院化工機械與安全工程研究所 廣州 510640）

管間距；鋁翅片油冷卻器；換熱性能；模擬與實驗

0 引言

油冷卻器是重工業(yè)生產(chǎn)領域中常用的換熱設備之一，通常以管程水作為冷卻介質(zhì)對機器中的液壓油、機油、潤滑油等進行冷卻，確保設備平穩(wěn)運行。由于殼側(cè)油的黏度較大，使得傳熱熱阻集中在殼側(cè)，因此對殼側(cè)傳熱的強化成為研究的重點[1]。當前，國內(nèi)外有關于增強油冷卻器換熱性能的研究主要體現(xiàn)在三方面，其一是改變換熱管外形結(jié)構(gòu)，其二是改變換熱管支撐結(jié)構(gòu)，其三是在油冷卻器內(nèi)部放置湍流發(fā)生器[2]。

Yang J等[3]提出了一種適用于油冷卻器的新型螺旋管式管殼換熱器，通過實驗及數(shù)值模擬結(jié)合的方法對管側(cè)和殼體的綜合流動傳熱特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)螺旋管換熱器的傳熱面積大且結(jié)構(gòu)緊湊，綜合傳熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)管殼式換熱器。Shuai S等[4]通過實驗的方法對光滑管式油冷卻器及針狀翅片管式油冷卻器的傳熱及阻力性能進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)在實驗研究范圍內(nèi)，針翅片管油冷卻器的總傳熱系數(shù)約為光滑管油冷卻器的1.4～2倍，針翅片管的結(jié)構(gòu)是影響油冷卻器傳熱及阻力性能的主要因素。Vestergaard B等[5]提出了一種適用于油冷卻器的新型扭曲橢圓扁管式管殼換熱器，其結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓、傳熱效率高，通過扭轉(zhuǎn)橢圓扁管使得管內(nèi)流體能夠發(fā)生渦輪流，增強傳熱。Liu X等[6]通過實驗研究了不同孔隙密度的多孔金屬材料對油冷卻器阻力及傳熱性能的影響。結(jié)果表明，在實驗范圍內(nèi)多孔金屬材料能有效提高油的熱傳遞，油側(cè)努塞爾數(shù)的大小與多孔金屬材料的數(shù)量成正比，多孔金屬材料的結(jié)構(gòu)是增強傳熱的最重要因素。Zhang Z等[7]通過實驗的方法對比研究了螺旋折流板圓筒翅片管油冷卻器與螺旋折流板低翅片管油冷卻器的傳熱及阻力特性，發(fā)現(xiàn)螺旋折流板圓筒翅片管油冷卻器總傳熱系數(shù)比螺旋折流板低翅片管油冷卻器的總傳熱系數(shù)高10%，壓降降低了46%。Kim D H等[2]設計了一種放置在油冷卻器內(nèi)部的矩形湍流發(fā)生器，通過實驗研究湍流發(fā)生器機翼角度對油冷卻器傳熱及阻力特性的影響，發(fā)現(xiàn)當機翼角度為45°時換熱性能增強因子（TEF）達到最高值6.46，即45°為其最佳配置角。

翅片式油冷卻器是一種將空冷器的制冷結(jié)構(gòu)引入到傳統(tǒng)油冷卻器上來的新型換熱設備，從換熱性能、經(jīng)濟、加工制造等方面考慮，通常采用鋁片作為原材料，將其沖壓為疊片與換熱管脹接在一起，并以弓形折流板作為支撐結(jié)構(gòu)的水冷式油冷卻器。這種翅片式油冷卻器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、綜合傳熱性能好，在工業(yè)生產(chǎn)中不僅可以減少生產(chǎn)成本，同時還提高了生產(chǎn)效率。涂盛輝等[8]通過實驗和模擬的方法研究了鋁翅片油冷卻器中折流板間距及缺口高度對換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)折流板間距為90mm，缺口高度為0.2時換熱性能最佳。梁建活等[9]通過實驗對比的方法，以單位壓降下熱流量/?為評價指標，得出疊片式油冷卻器小流量時的綜合性能較大流量時更優(yōu)。尹益欣等[10]通過數(shù)值模擬的方法對鋁翅片油冷卻器的翅片間距對傳熱與流阻的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)翅片間距為2mm時具有最佳傳熱效率。

但有關于鋁翅片油冷卻器管間距對換熱及阻力性能影響的研究卻很少。因此，本文將通過數(shù)值模擬及實驗的方法就管間距對新型翅片式油冷卻器傳熱及阻力性能的影響展開研究，分析殼程流場流動特性，旨在尋找最佳的管間距離，為改進翅片式油冷卻器的結(jié)構(gòu)提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型建立

利用Gambit軟件對油冷卻器進行三維建模，油冷卻器為固定管板式，采用弓形折流板作為支撐結(jié)構(gòu)，板厚為3mm，缺口高度為0.2，材料為鋼，翅片及換熱管材料分別為鋁和銅，正三角形排列管束。油冷卻器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，油冷卻器的物理模型如圖1所示，不同管間距下的鋁翅片結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

表1 油冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 鋁翅片油冷卻器物理模型圖

（a）13.9mm

（b）16mm

（c）17mm

（d）19mm

（e）20mm

（f）21mm

圖2 不同管間距下鋁翅片結(jié)構(gòu)尺寸圖

Fig.2 Structure dimension of aluminum fins under different tube pitch

考慮到對油冷卻器整體建模時的網(wǎng)格數(shù)及計算量較大，利用模型的對稱性建立一半模型進行數(shù)值計算。適當增大殼程進出口接管的長度，使液壓油在進出口接管處穩(wěn)定流動，不考慮折流板與筒體、換熱管與折流板間的空隙，換熱管與鋁翅片間的接觸熱阻忽略不計。

1.2 劃分網(wǎng)格

結(jié)合計算條件及模型大小，為提高網(wǎng)格質(zhì)量，在鋁翅片處建立輔助平面對模型分塊，利用Cooper的方法進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，折流板及殼程進出口處用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格做局部網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分后的三維模型如圖3所示。

圖3 鋁翅片油冷卻器三維網(wǎng)格圖

1.3 模型求解計算

鋁翅片油冷卻器殼程走R-68液壓油，粘度雖大但仍有湍流效應，故選擇標準-epsilon雙方程計算模型，不計重力影響，壓力基隱式求解，確保計算精度及穩(wěn)定性。壓力速度耦合采用SIMPLEC法[11]，能量、動量方程及湍流參量的求解采用一階迎風格式。液壓油進口采用速度邊界條件，流速1～3m/s、油溫330K，并給定對應湍流條件；出口為壓力邊界條件。銅管內(nèi)壁定義為恒溫壁面，溫度設定為302.7K。模型中剖面定義為對稱邊界，鋁翅片與殼程流體的接觸面定義為耦合壁面邊界，其他各面均采用不可滲透無滑移絕熱邊界，穩(wěn)態(tài)不可壓縮求解。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 殼程流場分析

（a）管間距13.9mm

（b）管間距16mm

（c）管間距17mm

（d）管間距19mm

（e）管間距20mm

（f）管間距21mm

圖4 不同管間距下的速度云圖

Fig.4 Velocity cloud diagram under different tube pitch

圖4是不同管間距下鋁翅片油冷卻器中剖面的速度云圖，殼程進口流速為1m/s。由速度云圖可知，由于R68液壓油的粘度較大且隨溫度變化，在折流板和眾多鋁翅片的作用下，當粘性液壓油繞流鋁翅片管束表面時，在壁面效應作用下會產(chǎn)生以摩擦為主的沿程阻力及附加湍流切應力，并在翅片管束及折流板的背風側(cè)出現(xiàn)邊界層分離，產(chǎn)生回流漩渦[12]。殼程流體橫向流速較低，縱向流速相對均勻。在鋁翅片與折流板的缺口通道內(nèi)流速達到最大值。折流板迎風側(cè)液壓油流速大于背風側(cè)，其后方有流動死區(qū)存在，整個殼程流場流體流型成“Z”字。在相同傳熱面積下，隨著管間距的增大，殼程通道及翅片間流速逐漸降低，但殼程流場均勻性增強。

2.2 不同管間距對傳熱性能的影響

由圖5可知，隨著殼側(cè)Re的增大，鋁翅片油冷卻器殼側(cè)傳熱系數(shù)隨之增大，不同管間距下的殼側(cè)傳熱系數(shù)增大趨勢大體相同，管間距為13.9mm時殼側(cè)傳熱系數(shù)雖然在低Re下較小，但隨著殼側(cè)Re的增大，其殼程傳熱系數(shù)增長速率最快、數(shù)值最大，同比其他管間距下殼側(cè)傳熱系數(shù)增長速率高了25～50%，這是因為管間距為13.9mm時，間距小、管束多、管束在殼程主流道區(qū)分布更密集，使得液壓油在管間湍動程度增強、流體橫掠過管束的次數(shù)增多、橫向流動距離增大，加劇了管束表面流體剝離，管束表面邊界層厚度減薄，所以其殼程傳熱系數(shù)較大。管間距為19mm時的殼程傳熱系數(shù)最小，原因是其總傳熱面積較小，折流段殼程流體主流區(qū)域換熱面積就會相對較小，導致其殼側(cè)傳熱系數(shù)比管間距為20mm和21mm下的殼程傳熱系數(shù)平均低了3～6%，管間距為16mm和17mm時的殼程傳熱系隨Re變化的差距不明顯，相差僅1%。

圖5 不同管間距下的殼程傳熱系數(shù)隨殼程Re變化曲線

2.3 不同管間距對殼程壓降的影響

圖6 不同管間距下的殼程壓降隨殼程Re變化曲線

如圖6可知，不同管間距下的殼程壓降隨殼側(cè)Re的增大而增大，增長曲線呈二次曲線狀，在同一殼側(cè)Re下，管間距為13.9mm時的殼程壓降最大，相比管間距為16mm、17mm、19mm、20mm、21mm時的殼側(cè)壓降分別高了17%、18%、26%、27%、28%。殼程壓降隨著管間距的增大而隨之減小，在管間距為21mm時殼側(cè)壓降最小，阻力性能最優(yōu)。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是管間距的大小直接影響了翅片側(cè)流體的管間流動空間的大小[13]，隨著管間距的增加，管束間橫向及縱向距離隨之增大，鋁翅片間的流通截面積增大，流體在翅片間的流動變平緩，湍動程度減弱，從而使得阻力性能提高。

2.4 不同管間距對油冷卻器綜合性能的影響

圖7 不同管間距下綜合因子隨殼程Re變化曲線

2.5 模擬的準確性驗證

在企業(yè)項目的合作協(xié)助下，建立了一臺與模擬部分結(jié)構(gòu)相同的鋁翅片式油冷卻器，并依靠文獻中的熱交換實驗平臺對管間距為21mm的鋁翅片油冷卻器進行實驗測試研究，驗證模擬結(jié)果的準確性。該實驗測試系統(tǒng)由液壓油回路、冷卻水回路、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。圖8為實驗測試系統(tǒng)工藝流程圖。

圖8 實驗測試系統(tǒng)工藝流程圖

R68液壓油進口溫度及冷卻水的進口溫度分別由PID溫控器靈敏的控制在330±0.2K及303±0.3K。通過變頻器控制齒輪油泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)液壓油的進口流量，使其在30～130L/min間變化，冷卻水流量通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，使其流量控制為40L/min。在殼程放熱量與管程吸熱量誤差穩(wěn)定并小于10%的時候，認為系統(tǒng)達到熱平衡的狀態(tài)，開始采集記錄實驗數(shù)據(jù)。

經(jīng)實驗與數(shù)值模擬所得的殼程傳熱系數(shù)及壓降結(jié)果的對比圖見圖9及圖10。

圖9 殼程傳熱系數(shù)的模擬及實驗結(jié)果對比

圖10 殼程壓降的模擬及實驗結(jié)果對比

3 結(jié)論

（1）鋁翅片油冷卻器的傳熱性能與殼側(cè)Re有關，不同管間距下的殼程傳熱系數(shù)及殼程壓降均隨著Re的增大而增大。殼側(cè)傳熱系數(shù)隨Re的增大，增長略有下降趨勢；殼側(cè)壓降隨Re的增大，增長率逐漸增大，呈現(xiàn)二次曲線狀。

（2）鋁翅片油冷卻器的綜合傳熱性能在相同殼側(cè)Re下隨管間距的增大而增強，管間距為13.9mm時的綜合傳熱性能最差，管間距為21mm時的綜合傳熱性能最佳，同比管間距為13.9mm、16mm、17mm、19mm、20mm時的綜合傳熱性能分別提高了10.8%、8.9%、7.1%、3.7%、2.1%?？梢姡瑢τ阡X翅片油冷卻器，在殼側(cè)支撐結(jié)構(gòu)相同時，適當增大管間距能有效的提高其換熱性能。

[1] 肖敬美,錢泰磊,朱冬生,等.螺旋扭曲膨脹管油冷卻器殼程傳熱及壓降性能試驗研究[J].流體機械,2014,(6): 11-15.

[2] Kim D H, Pialago E J T, Shin J Y, et al. Performance characteristics of heat exchanger with internal turbulence generators under various blade configurations and operating conditions[J]. Applied Thermal Engineering, 2017.

[3] Yang J, Ma L, Liu J, et al. Thermal–hydraulic performance of a novel shell-and-tube oil cooler with multi-fields synergy analysis[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2014,77(4):928-939.

[4] Shuai S, Yan C Q, Ming D. Experimental Study of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics on Shell-side of Pin-fin Tube Oil Cooler[J]. Atomic Energy Science & Technology, 2013, 47(8):1342-1347.

[5] Vestergaard B, Jorgensen R L, Kusch O. Fluid To Fluid Heat Exchanger: An Improved Design Using A Twisted Flat Oval Tube[J]. 2000.

[6] Liu X, Ding M, Li C, et al. An Experimental Study of Enhanced Heat Transfer and Frictional Characteristics of Porous Metal Materials for Oil Coolers[J]. Hedongli Gongcheng/nuclear Power Engineering, 2017,38(3):24- 28.

[7] Zhang Z, Lin P. HEAT TRANSFER ENHANCEMENT OF PETAL-SHAPED FIN TUBES OIL-COOLER WITH HELICAL BAFFLES[J]. Journal of Chemical Industry & Engineering, 2001.

[8] 涂盛輝,馮毅,劉敏.新型疊片式油冷卻器綜合性能的數(shù)值研究[J].壓力容器,2015,32(11):33-39.

[9] 梁建活,江楠,曾紀成.兩種新型油冷卻器傳熱性能對比實驗研究[J].石油化工設備,2014,(4):22-26.

[10] 尹益欣,馮毅,劉頌.新型疊片式油冷卻器傳熱與流動阻力性能模擬試驗研究[J].壓力容器,2013,(10):1-6.

[11] 周俊杰,徐國權,張華俊.FLUENT工程技術與實例分析[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[12] 涂福炳,馬士偉,高晟揚,等.來流速度分布對徑向熱管換熱器性能影響的數(shù)值模擬[J].中南大學學報(自然科學版),2013,(9):3904-3910.

[13] 楊濤,袁益超.管束結(jié)構(gòu)對開縫翅片橢圓管換熱器性能的影響[J].化工學報,2018,(4):1365-1373.

Numerical Analysis and Experimental Study on Heat Transfer Performance of Aluminum Fin Oil Cooler

Fan Jiheng Feng Yi Chen Qiang

( Institute of Chemical Machinery and Safety Engineering, School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou, 510640 )

tube pitch; aluminum fin oil cooler; heat exchange performance; simulation and experiment

TK172/TE965/TH123

A

范繼珩（1994.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：fjh978740738@163.com

馮 毅（1963.03-），男，博士后，副教授，E-mail：mmyfeng@scut.edu.cn

2017-12-04

1671-6612（2018）05-540-07