蘭麗玲

(閩南理工學(xué)院 福建泉州 362700)

翅片管換熱器是常見熱交換器[1]，廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、建筑、醫(yī)療、空調(diào)制冷等領(lǐng)域，這種換熱器因具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工、重量輕、經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)，故在航空、汽車空調(diào)、石化、深低溫宇宙航天部門等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。翅片管換熱器有平直翅片、波紋翅片、打孔式翅片和百葉窗翅片[3]。波紋翅片管由于內(nèi)流介質(zhì)的流向在不斷的改變從而充分湍流，提高了熱量交換和傳熱效率[5]。理論表明對(duì)不同的進(jìn)風(fēng)口流速、不同厚度和不同波紋傾角的情況下翅片管道的波紋翅片的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，比較翅片進(jìn)口速度、翅片厚度、翅片波紋角對(duì)流動(dòng)換熱性能的影響，空氣進(jìn)口速度的增加，波紋翅片的f減少，而j因子增加。隨著翅片厚度和波紋角度增加，j因子增長(zhǎng)緩慢，而f因子增長(zhǎng)較大。文章應(yīng)用COMSOL軟件構(gòu)建正弦波翅片和人字波紋翅片模型，3種波紋角度和2種波紋厚度在3種流速情況下，對(duì)波紋片的換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，從獲得的數(shù)據(jù)中選取換熱性能最優(yōu)的波紋片角度和波紋片厚度。

1 幾何模型的構(gòu)建

建立兩種波紋翅片分別為人字形波紋翅片三維模型圖(圖1)和正弦翅片波紋三維模型圖(圖2)，均采以波紋角度為12°和波紋翅片厚度為0.1mm的波紋翅片，這兩種波紋翅片材料均以鋁為主，翅片管的材料則以銅材料為主[10]。波紋翅片換熱器參數(shù)如表1所示。

圖1 人字形波紋翅片三維模型圖

圖2 正弦波紋翅片三維模型圖

表1 波紋翅片換熱器參數(shù)

翅片厚度(mm)波紋角(°)銅管外徑(mm)翅片材料翅片間距(mm)0.1126鋁1.5156鋁1.5186鋁1.50.2126鋁1.5156鋁1.5186鋁1.5

2 數(shù)學(xué)模型的建立

由于波紋管傳熱過(guò)程發(fā)生在管道內(nèi)，從管道流過(guò)的流體為空氣[11]，為了便于數(shù)值模擬，建立控制微分方程如下：

(1)連續(xù)性方程：

(1)

式中：u，ν，ω分別為x，y，z方向流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

(2)動(dòng)量和能量守恒方程：

(2)

式(2)中：φ為通用變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)[12]。

考慮到模型的周期性和對(duì)稱性，文章采用兩排交叉的波紋管作為計(jì)算區(qū)域，這樣對(duì)稱交叉有益于傳熱效果，同時(shí)也便于整個(gè)數(shù)值模擬的計(jì)算[13]。模型入口設(shè)置為速度，出口設(shè)置為壓降，空氣進(jìn)口速度分別為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，方向沿x軸方向，空氣進(jìn)口溫度313.15K，翅片和翅片管溫度318.15K[14]。為了便于計(jì)算，將設(shè)置好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選用物理場(chǎng)控制網(wǎng)格極粗化，以此來(lái)減少求解時(shí)間[15]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)

人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)如圖3所示。

翅片角12°,厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖3 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)

3.2 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)如圖4示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的溫度場(chǎng)

由圖4可以看出，當(dāng)空氣流過(guò)第一排管束時(shí)，沿著波紋片的左右方向有較大的溫差。沿管束的迎風(fēng)處，溫度上升速度明顯比較快，從中看出波紋翅片它獨(dú)有的波紋起伏特點(diǎn)起到了一定的阻止和擾亂氣流的作用，使溫度場(chǎng)分布密集，且發(fā)生劇烈的的變化。而在管束的背風(fēng)處，由于波紋翅片的擾動(dòng)，使空氣產(chǎn)生不穩(wěn)定的回流，換熱效果并沒有管束迎風(fēng)處明顯。

3.3 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)

人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)如圖5所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖5 人字形波紋翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)

3.4 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)

正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)如圖6所示，不同厚度下的壓力場(chǎng)如圖7所示。

翅片角12°厚度0.1mm翅片角12°厚度0.2mm翅片角15°厚度0.1mm翅片角15°厚度0.2mm翅片角18°厚度0.1mm翅片角18°厚度0.2mm

圖6 正弦波形翅片在不同厚度、翅片角和入口速度下的速度場(chǎng)

流速0.1m/s人字翅片角15°厚度0.1mm人字翅片角18°厚度0.1mm正弦波翅片角15°厚度0.1mm正弦波翅片角18°厚度0.1mm

圖7 正弦波形翅片在不同厚度下的壓力場(chǎng)

3.5 壓力場(chǎng)

由速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果中可以看出：空氣的速度沿流動(dòng)方向逐漸下降，同時(shí)壓力也跟著下降，當(dāng)空氣流過(guò)第一排銅管時(shí)，銅管的迎風(fēng)處附近的壓力會(huì)比較大，到第二排銅管時(shí)壓力逐漸下降。而在銅管的背風(fēng)處，速度會(huì)比較小，部分熱量無(wú)法被帶走，且會(huì)造成回流，所以前后溫差較大，因此銅管背風(fēng)處的換熱效果最差。

3.6 波紋翅片傾角對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響

由溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)圖看出，波紋傾角為12°、厚度0.1mm、入口速度為0.1m/s時(shí)的波紋翅片，當(dāng)空氣從管道入口進(jìn)入12°的翅片時(shí)，溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)變化不明顯，傳熱過(guò)程比較緩慢；隨著波紋傾角逐漸增大，空氣所受的接觸面傾度增大，造成空氣的流動(dòng)紊亂，且溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的變化越來(lái)越明顯。溫度場(chǎng)圖中的高溫比較高的地方隨著傾角的增加而開始變低。第一排管的迎風(fēng)處溫度相對(duì)于翅片角度的增加而增加。這是因?yàn)椴y翅片的高角度翅片和低角度翅片會(huì)因?yàn)榭諝獾臄_動(dòng)提早獲得熱量或延遲獲得熱量。而在第一排管的背風(fēng)處，因?yàn)橛泄艿雷钃醵斐蓳Q熱不明顯，波紋傾角增大時(shí)，管背風(fēng)處的溫度場(chǎng)也會(huì)受到氣流的影響，從而減少管背風(fēng)處的熱量因受到阻擋而不得換熱的情況，詳見圖8、圖9和圖10。

3.7 空氣進(jìn)口速度對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響

以3種波紋傾角厚度為0.1mm的人字波紋翅片為參考對(duì)象，結(jié)合圖5和圖7空氣分別以0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，從入口進(jìn)入，當(dāng)空氣入口速度為0.1m/s時(shí)，3種波紋傾角的翅片換熱量較低，且出口的溫度變化相對(duì)不會(huì)很明顯。但隨著速度的增大，3種波紋傾角的翅片的換熱量和出口溫度變化也會(huì)越來(lái)越明顯。

3.8 波紋翅片厚度對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響

這次仿真計(jì)算主要以0.1mm和0.2mm厚度的波紋翅片為研究對(duì)象，波紋片的厚度增加會(huì)加劇空氣與翅片之間的摩擦力，隨著波紋片的增厚換熱效果有細(xì)微的變化，但整體的變化并不會(huì)很明顯。

3.9 人字形波紋翅片和正弦波紋翅片對(duì)流動(dòng)換熱特性的影響

在相同情況下，正弦波紋翅片的換熱效果比人字波紋翅片要好，因?yàn)檎也y翅片的邊界層分離較為不明顯，換熱效率沒有人字波紋翅片來(lái)得低。由圖5和圖6可以看到，在空氣熱傳導(dǎo)過(guò)程中，空氣流速為0.1m/s時(shí)15°的人字波紋翅片空氣通道中心面的壓力降為328×10-3Pa大于正弦波紋翅片壓力降319×10-3Pa，但是正弦波紋翅片的經(jīng)濟(jì)性會(huì)稍差。

4 結(jié)語(yǔ)

文章研究了波紋翅片換熱器在不同結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)換熱情況，利用COMSOL仿真軟件進(jìn)行計(jì)算模擬，從而得到了不同類型的波紋翅片和它們不同的厚度、波紋傾角、進(jìn)口速度分別對(duì)流動(dòng)特性換熱的產(chǎn)生的影響。對(duì)模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，波紋片的傾角是整個(gè)換熱過(guò)程中重要的參數(shù)，它通過(guò)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響整個(gè)通道的換熱過(guò)程。通道的入口速度逐漸增加，波紋翅片的換熱量逐漸增加，壓力損失也會(huì)減小，但如果未在允許的速度范圍內(nèi)繼續(xù)增加入口速度，會(huì)造氣流接觸不均勻，而減少換熱量。

因此，綜合各方面的因素分析，為達(dá)到整套系統(tǒng)的最優(yōu)性能，通道的入口流速和波紋翅片的傾角必須在合理的參數(shù)內(nèi)。對(duì)于不同類型的波紋翅片，在模擬計(jì)算中，以正弦波波紋翅片波紋角為18°且風(fēng)速在0.3m/s時(shí)，是波紋翅片換熱器換熱效果最好的。