同濟大學機械與能源工程學院 高召寶 周偉國 羅 洋

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濃淡燃燒燃氣熱水器翅片管式換熱器數(shù)值模擬研究

同濟大學機械與能源工程學院 高召寶 周偉國 羅 洋

采用數(shù)值模擬的方法對濃淡燃燒燃氣熱水器翅片管式換熱器進行仿真模擬研究，對實際設備進行合理簡化，分別研究換熱管內螺紋、翅片的形式以及翅片的數(shù)目對換熱器內流體流動和換熱的影響，并將實驗測得的數(shù)據(jù)與模擬結果進行比較。比較結果表明：帶有螺紋的換熱管對水的出口溫度影響較??；異形翅片的換熱效果要優(yōu)于平面翅片的換熱效果；換熱器內水的出口溫度隨翅片數(shù)目的增加呈對數(shù)函數(shù)分布。

濃淡燃燒燃氣熱水器 翅片式換熱器 數(shù)值模擬 強化傳熱

0 概述

在能源危機較為嚴重的當今，對于強化換熱的研究越來越受到關注。翅片管式換熱器結構緊湊、體積小、質量輕、經(jīng)濟，這些突出優(yōu)點使其在動力、化學、石油化工、空調工程和制冷工程中應用非常廣泛。翅片管換熱器的換熱管是否帶有螺紋、翅片的類型和結構尺寸是影響換熱器性能的重要因素。秦富友等《光管和外螺紋管換熱器的換熱性能比較》對光管和外螺紋管換熱器的換熱性能進行了實驗研究，結果表明在相同條件下，外螺紋管換熱器與相同結構尺寸的光管換熱器相比，總傳熱系數(shù)可以提高10%~17%；李媛等《板翅式換熱器翅片表面性能的三維數(shù)值模擬》以及張永軍等《翅片管換熱過程數(shù)值模擬及其結構優(yōu)化》對換熱器中翅片的間距、高度、厚度對換熱過程的影響，得出了最優(yōu)的翅片布置類型。本文基于上述研究結果對翅片的形狀、數(shù)目以及換熱管中的螺紋進行了數(shù)值模擬。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬所選翅片管式換熱器的基管為圓管，管束外直徑為16 mm，壁厚為0.8 mm。圓管內部帶有螺紋，管段外是利用機械安裝的翅片，共有69片，翅片壁厚為0.25 mm，相鄰翅片之間的間距為2.25 mm，模型簡化圖見圖1。翅片管式換熱器銅管內為水后域，管束外部為煙氣流域，來自燃燒室內的高溫煙氣進入換熱器，高溫煙氣外掠換熱器管束及其外部翅片后排入大氣中，管束內的水吸收高溫煙氣的熱量，從而達到升溫的效果。

圖1 簡化后換熱器模型

原模型中有68個翅片，但在模擬過程中，由于結構多且細密而無法劃分網(wǎng)格，因此采用逐漸增多翅片的方式進行模擬。翅片逐漸采用0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片的方式觀察換熱情況，并且模擬管內有和沒有螺紋的影響。最后再通過擬合的方式計算整體換熱情況。翅片主體形狀保持不變，而表面上的凹凸結構被簡化。由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認為絕熱；忽略翅片和銅管外壁接觸熱阻，認為翅片根部與銅管外壁溫度相同；但換熱器的換熱管以及翅片保持原有壁厚。

螺紋管在劃分網(wǎng)格過程中會導致質量太差，因而將螺紋管改為方形圓環(huán)均勻分布在換熱管內。改為方形螺紋的依據(jù)：

(1)螺紋總長度相同。

(2)螺紋斷面的水力半徑相同。

含有不同數(shù)目翅片的換熱器模型是將翅片均勻分布在換熱管段上，含有螺紋的管段和不含螺紋的管段主要在于換熱管段的內表面。

換熱器共分為三個流體域，分別為煙氣流域，水流域和換熱材料固體域。本文對三個區(qū)域采用四面體非結構化網(wǎng)格進行劃分，翅片管式換熱器某截面上的網(wǎng)格見圖2。并對翅片的固體域，水的進出口界面，煙氣進出口界面進行局部加密。某截面的網(wǎng)格局部加密圖見圖3。

圖2 翅片管式換熱器某截面上的網(wǎng)格

圖3 某截面的網(wǎng)格局部加密

2 流動與傳熱控制方程

連續(xù)方程(質量守恒方程)、動量方程、能量方程和組分方程(或稱擴散方程)統(tǒng)一形式為：

J——輸送通量；

S——源項。

當=0，J=0，S=0上式就是連續(xù)方程；而當表示速度u，能量或質量，上式就分別代表動量、能量或組分平衡方程。對于穩(wěn)態(tài)不可壓縮單組分流動，上式中變量對時間的偏導為零。

3 物性參數(shù)及邊界條件

表1 煙氣的組成

由于水和純銅材料的比熱容遠大于干煙氣，因此，溫度變化主要發(fā)生在煙氣側，故忽略溫度變化對水和不銹鋼材料物性的影響，僅考慮煙氣各組分比定壓熱容隨溫度變化，在Fluent物性參數(shù)中對煙氣定壓比熱容采用分段線性來描述。換熱管束中水的比熱容取4 200 J/(kg·K)，密度取998.2 kg/m3，熱導率取0.6 W/(m·K)。換熱管束純銅物性參數(shù)按照常數(shù)確定，導熱率為387.6 W/(m·K)，定壓比熱容為381 J/(kg·K)，密度取8 978 kg/m3。

在計算過程中，假定煙氣為不可壓縮粘性流體，煙氣進口條件以燃燒室出口所得的煙氣條件作為換熱器煙氣進口的條件，煙氣進口為速度入口邊界條件，速度為3.189 m/s，煙氣溫度為1979 K。煙氣出口為壓力出口邊界條件，其值取273 Pa。水進口設為速度入口邊界條件，入口和出口面積為0.000128 m2，速度為1.19 m/s，水溫度為290.35 K。水出口設為壓力出口邊界條件，F(xiàn)luent可使出口邊界上速度和壓力滿足全發(fā)展流動假設。換熱管束、翅片為有厚度的壁面邊界條件，翅片壁厚為0.25mm，換熱管束外直徑為16 mm，壁厚為0.8mm。換熱器外殼為無厚度的絕熱壁面邊界條件。

4 求解模型和求解方法

Fluent是基于有限體積法對控制方程進行離散和求解，求解模型需要打開能量方程，湍流模型懸著k－ε兩方程模型。由于煙氣是由多組分構成，因需要打開組分輸送模型。，速度壓力耦合求解方法采用SIMPLE算法，其中動量方程采用二階迎風格式進行離散、能量方程、k－ε方程采用一階迎風格式進行離散，有助于求解的穩(wěn)定性，并減少偽擴散。松弛因子采用默認設置。同時對排煙溫度以及水的出口溫度進行監(jiān)測，即監(jiān)視每一步迭代過程的排煙溫度以及水的出口溫度，觀察換熱器的換熱情況。當煙氣出口和水出口溫度趨于穩(wěn)定且達到收斂準則時，即認為收斂，最后可得到翅片管式換熱器內部溫度場、速度場。

5 模擬結果

翅片管式的對流換熱問題中，管束排列一般有順排和叉排兩種方式。順排和叉排分別有不同的流動特征，主要是叉排管束所組成的管束煙氣在流道內彎曲流動，所走路徑更長，并且管外流體在流經(jīng)叉排管束時比流經(jīng)順排管束時擾動更為劇烈，換熱也更強。

5.1 螺紋管對換熱過程影響

通過對含有0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片異形翅片的有螺紋和無螺紋管段換熱器進行數(shù)值模擬，模擬數(shù)據(jù)結果見表2。對溫度場分析可知，有螺紋的換熱器水溫度上升的速度較快，但是最后水出口的溫度相差不大。因此螺紋管對增強換熱的效果較差，并且有螺紋管段邊界的擾流要大于無螺紋的管段，但是由于螺紋的當量直徑太小對增強換熱的效果不夠明顯，只是具有減少換熱過程中的氣蝕的作用。

表2 異形翅片有螺紋和無螺紋管段換熱器數(shù)值模擬結果

5.2 含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱情況對比

對含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱器進行數(shù)值模擬，異形翅片與平面翅片模型見圖4。

圖4 異形翅片與平面翅片模型

含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱器模擬所得數(shù)據(jù)見表3，模擬結果顯示異形翅片的溫度分布要比平面翅片的溫度分布更加均勻。

表3 含有36片翅片有螺紋換熱管的換熱器模擬數(shù)據(jù)

5.3 含有不數(shù)目異形翅片且有螺紋換熱管的對換熱過程影響

對含有不數(shù)目異形翅片且有螺紋換熱管的換熱器進行數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)分析可知，隨著換熱器中翅片數(shù)目的增多，水溫度上升和煙氣溫度下降趨于緩慢，但是在翅片數(shù)目從無到有過程中，出口水的溫度上升最快。數(shù)據(jù)見表4。

表4 異形翅片有螺紋換熱管的換熱器模擬數(shù)據(jù)

6 模擬結果分析

6.1 分析模擬數(shù)據(jù)所得結論

(1)中間位置翅片上的溫度要大于兩端位置的翅片溫度。

(2)對比異形翅片和平面翅片發(fā)現(xiàn)平面翅片在直角處溫度較高，但是內部溫度較低，而異形翅片溫度分布比較均勻。

(3)不同數(shù)目異形翅片的換熱器與其模擬所得到水出口溫度和煙氣出口溫度的結果分別見圖5，圖6。

圖5 翅片數(shù)目與出水溫度的擬合關系

翅片數(shù)目與水出口溫度的擬合關系：

翅片數(shù)目與煙氣出口溫度的擬合關系：

上面兩圖中各自的擬合關系說明，隨著換熱管上翅片數(shù)目的增加，出水溫度上升和煙氣出口溫度下降均趨于緩慢。

6.2 燃氣熱水器實驗驗證

通過實驗測得數(shù)據(jù)與上述數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)進行對見表5，并計算兩種數(shù)據(jù)之間的誤差，一方面可以驗證數(shù)值模擬的準確度，另一方面也可以為換熱器的改造提供一些可行性的建議。

表5 換熱器模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比

7 結語

本文對濃淡燃燒燃氣熱水器中的翅片管式換熱器進行數(shù)值模擬，主要考慮換熱器中換熱管上的螺紋，翅片的類型以及翅片的目這樣的結構參數(shù)對換熱性能有很大影響。模擬結果顯示螺紋對提高換熱器的效率影響較小，但是螺紋管具有降噪的功能，可以增強換熱管內水的擾動，降低換熱過程中的氣蝕影響；異形翅片的吸熱效果要明顯優(yōu)于平面翅片，異形翅片在換熱過程中整體溫度分布比較均勻，不會出現(xiàn)溫度過高的區(qū)域，一方面可以更好地吸收煙氣中的熱量，另一方面更能延長其使用的壽命；翅片的數(shù)目對換熱效果的影響最為明顯，在翅片數(shù)目逐漸增加的過程中，溫度上升逐漸變緩，也就是換熱效率提升逐漸減少，為了減少產(chǎn)品的重量和產(chǎn)品的投資，需要根據(jù)產(chǎn)品的形狀和大小合理布置翅片的厚度、翅片的高度以及翅片的間距，在最大化提高產(chǎn)品效率的同時，降低產(chǎn)品的初投資。

Numerical Simulation Study on Fin Heat Exchanger of Rich and Lean Combustion Gas Water Heater Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Gao Zhaobao Zhou Weiguo Luo Yang

The numerical simulation method is used to study the finned heat exchanger with rich and lean combustion gas water heater. On the basis of the rational simplification of the finned heat exchanger, the effects of internal threads, the form of fins and the number of fins on fluid flow and heat transfer in heat exchangers are studied respectively, and the simulation results are compared with experimental datum to verify the accuracy of the simulation results. The results show that the heat transfer tube with thread has little influence on the outlet temperature of water; the heat transfer effect of the special-shaped fin is better than the heat transfer effect of the plane fin; the outlet temperature of water in the heater increases logarithmically with the number of fins.

rich and lean combustion gas water heater, finned heat exchanger,numerical simulation, convective heat transfer