翅片管_支持定制

翅片管式换热器总传热计算

采用平壁导热计算公式，总传热计算方程：

 二：翅片效率简化计算前提

( l ）翅片材料的导热系数为常数；

( 2 ）翅片厚度远小于翅片高度与翅片宽度；

( 3 ）翅基温度、翅周围介质温度、翅表面与周围介质的对流传热系数均为常数；

( 4 ）翅端绝热。

 三：翅片管束的换热和流动阻力

 由于空气侧或烟气侧的换热系数很低，因此我们一般采用翅片管。此外，当流体流过翅片管束时，须克服一定的流动阻力，因而会产生压力降△P ，压力降越大，说明消耗的动力越大。所以压力降的计算也是一个应该关注的问题。

1 ．流体绕流翅片管束时的管外换热系数

换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。换热系数我们用 h 来表示，其单位是： W /（㎡.℃）。翅片管的排列有顺排和叉排之分，由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。

顺排流动叉排流动所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。

这里 Briggs和 Young 的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。其标准误差在5％左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果： 

式中，

df , db ：翅片外径和基管直径；

Y , H ：翅片间隙和高度；

入，μ和 Pr 分别为流体的导热系数，粘度系数和普朗特数。

根据流体温度查流体物性表得到；式中的 Gmax 是流体在窄截面处的质量流速，单位是 Kg /（㎡.s) . 所谓窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。由上式可知，影响换热系数 h 大的因素是流速，与 Gmax 的0.718次方成正比。如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。

2．流体绕流翅片管束的流动阻力

Robinson 和 Briggs 对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。实验范围是：

上式中， K 是纵向管排数， f 是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：

由上两式可见，影响翅片管束压力降△P的主要因素是：

是流速，与Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；

第二是管间距，几乎与 Pt 的一次方成反比。

所以，为了降低阻力，可以选用较大的管问距和降低流体的流

对于燃气热水器，换热器管子外侧流动的是高温烟气，内侧流动的是冷水。试验表明，烟气侧的热阻明显高于水侧的热阻，因此通常在管子表面设置翅片增加换热面积，以提高换热效率。目前，常用的翅片管束主要分为3类：单管外翅片管束，单根圆管外侧加装翅片所构成的翅片管束；连续翅片管束，在整块薄金属板（翅片）上，按管子排列形式（顺排、叉排）冲孔，然后用专用设备将冲孔后的金属薄板逐片套在圆管上，再采用胀管或钎接方法连接；管带式翅片管束，由波带形翅片与扁管相间叠合而成，即在一条波形带状翅片的脊背上，沿垂直于气流方向，贴置若干根扁管，翅片与扁管采用钎接方法连接。本文选取连续翅片管束，采用CFD软件，在管子内流体为定温度条件下，对非翅片表面烟气流道内烟气、翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。

1   模拟方法

1.1  控制方程与数学模型［1-2］

 ①控制方程

 控制方程包括混合物质量守恒方程、组分质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，由于换热管外烟气中水分未发生凝结，烟气组成不会发生变化，因此不需考虑组分质量守恒方程。

1.2  物理模型

燃烧产生的高温烟气向上冲刷翅片管束，通过对流传热将热量传递给管子内的冷水。对非翅片表面烟气流道内烟气与翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。考虑到计算的时间与成本，数值模拟只针对单个连续翅片进行研究，计算区域宽×高×厚为126.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直径为14.5 mm，翅片厚度为0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有冲孔。采用Cero软件（三维设计制图软件）建立物理模型（见图1），并采用Gambit软件对物理模型进行网格划分，网格生成后，用网格检查器检查网格的质量，划分网格后的物理模型见图2，网格数量为719 625 个

1.3  边界条件

 ①入口边界条件

 入口为速度边界，在FLUENT软件中定义速度边界的方法有3种：种是将速度视为速率的值与一个单位方向矢量的乘积，然后通过定义速率的值和方向矢量分量来定义速度边界；第二种是将速度视为3个坐标方向上的分量的矢量和，然后通过分别给定3个分量大小来定义速度边界；第三种是设定速度垂直于边界面，然后给定速率的值就可以定义速度边界。

 由于烟气流动方向与物理模型底面垂直，因此采用第三种定义速度边界的方法。烟气的进口速度为4.215 m/s，温度为1 250 K，湍流强度为3%，烟气的组成见表1。

 ②出口边界条件

 出口边界条件为压力边界条件，出口压力（表压）设置为0。物理模型出口湍流强度为3%。

 ③壁面热边界条件

 物理模型外壁面选用对称壁面边界条件，无热流，无气流，管子内壁面选用流固耦合热边界条件。

 ④管内流体条件

 管内流体温度设定为350 K。

 2   数值模拟结果及分析

2.1  烟气温度分布

非翅片表面烟气流道内烟气温度分布见图3，翅片表面烟气温度分布见图4。由图3可知，非翅片表面烟气流道底部烟气温度为1 250 K，烟气流过管子时温度下降，出口烟气温度分布比较均匀，分布范围为500~750 K。由图4可知，翅片表面烟气温度分布基本对称，管子周围的烟气温度低（为505 K），翅片边缘的烟气温度高（为590 K）。由图3、4可知，在管子错排布置条件下，烟气与管子能够实现较好的换热。烟气流道出口处烟气温度的分布比较均匀，对后续的烟气处理也非常有利。文献［3］的研究表明，与顺排布置相比，管子错排布置可大幅改善烟气与管子传热条件下的流动工况，增强了换热效果。由此可知，模拟结果与文献［3］的研究结果基本一致。2.2  烟气速度分布非翅片表面烟气流道内烟气速度分布见图5。文献［4-5］研究表明，对于平翅片管束，当烟气绕过管子流动时，管子表面附近易形成很薄的边界层旋涡区，流动到管子后部表面分离，伴随旋涡从管子表面脱落，并在烟气出口区域形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。尾流区内烟气的循环流动使得管子周围烟气温度下降速率减缓，此外随着烟气沿平翅片表面的平直通道向前流动，边界层由于无附加扰动而逐渐增厚，使得局部换热系数沿程降低。为改善上述问题，可通过在管子上方的翅片冲孔［1］47，破坏尾流区形成的边界层，从而改善平翅片管束的换热环境，还可降低翅片用料。由图5可知，管子后部并未形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。