1、平直翅片管传热与阻力特性的数值研究摘 要平直翅片管式换热器作为热力系统和制冷空调装备中的一个重要部件，对其换热性能的研究一直是科研人员热衷的课题。尽管它在结构的紧凑性、传热强度和单位金属消耗量等方面逊于板式或板翅式换热器，但平直翅片管换热器以其能承受高温高压、适应性强、工作可靠、制造简单、生产成本低、选材范围广等优点，仍在能源、化工、石油等行业得到广泛应用。因而，对其翅片管束通道内的流动与传热问题的研究具有十分重要的意义。本文针对平直翅片管内的流动特点，主要对以下内 行研究 简单 平直翅片管研究的动 ， 在对 分 对其 行 、分 方 的优 的 ， 本文 用 方 ， 用GAMBIT 件对 结构
2、的平直翅片管 ， 通FLUENT6.2 件对其翅片管通道内的流动 行 ，Re与currency1“ Nu、力系 f的系，分 流动 Reynolds 、翅片fifl、管 、翅片管管 fiflfifl和fifl 等因对平直翅片管流动与换热性能的，” 结构通道内的流动特 力特性，为工业应用 平直翅片管结构的和 、优化分 。关键字： 平直翅片流流动流动换热INumerical Study on Heat Transfer and Pressure DropCharacteristics of Plain-finned TubeABSTRACTAs plain-finned tube is an imp
3、ortant component for thermal systems and refrigerationand air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is always a hottopics for researchersAlthough its compact structure，heat transfer efficiency are lowerthan plate or plate-fin heat exchangers，plain-finned tube heat exchan
4、gers have also beingwidely used in the energy，chemical，oil and other industries for its many advantages whichcontained withstand high temperature and pressure，adptable widely，reliable，simplemanufacturing，low costs and wide selectionThus，studies for the flow and heat transferof finned tube bundles ar
5、e of great significanceAim at the flow characteristics of plain-finned tube ， this paper will study thefollowings Simplely overview the study progress and present stuation of plain-finnedtube，and on the basis of comparative analysis the goods and bads of three researchmethods experimental，analysis a
6、nd numerical methodwe determine use Gambit-software to bilud physical model for different size tube structures，and use Fluent6.2-software to study the flow in the finned tube channel，then calculate the relationshipbetween Re and Nu number，f(resistance cofficient)，and analyze Re，fin-pitchnumber oftub
7、e rows，row spacing of fin tube(horizontal spacing and vertical spacing)，the impact onthe plain-finned tubes flow and heat transfer performance，so as to provide a theoreticalbasis for the disgn，improvementand optimization of plain-finned tude heat exchangersKey words: numerical simulationplain-finlam
8、inar flowheat transferII目 录要.IAbstract.II一 .11.1 课题 研究意义.11.2 翅片管强化传热的 .41.3 平直翅片管换热器的研究 成.71.4 本文的主要研究内 .11平直翅片管换热流动 与分 .122.1 平直翅片管换热与流动特性 的 .122.2 平直翅片管换热器 的 .122.3 平直翅片管 与简化 .14 于Fluent平直翅片管 CFD简 .183.1 用 方 简 .183.2 CFD .203.3 FLUENT 件 GAMBIT简 .223.4 平直翅片管 于FLUENT .24平直翅片管 结 分 .274.1 .274.2 对平直翅
9、片管换热与压特性的.274.3 翅片fifl对平直翅片管换热与压特性的.324.4 管 对平直翅片管换热与压特性的.334.5 管 fifl对平直翅片管换热与压特性的.354.6 管 fifl对平直翅片管换热与压特性的.384.7 管 方式对平直翅片管换热与压特性的.40结 .43 文.44文 文.47中文 .53III一 1.1 课题背景及研究意义1.1.1 强化传热技术概述强化传热是 十 的一 传热性能的 。它的是 和适应高热流，以到用 的备 传 特 的热量，用有效的冷却 保护高温部件的安全运行，以 用高效率 能源的有效利用。正因为如此传热强化在工业生产中有着十分广泛的应用，无 在动力、冶
10、金、石油、化工、材料制冷等工 领域，还是航空航天、电子、核能等高 领域，都 可避免的涉 热量的传递 其强化问题。而换热器作为一 传热备成为工业生产中 可缺少的备1。统，在 石油化工企业中，换热器投资占30%40%在制冷机组中，蒸发器和凝结器的重量占机组总重量的30%40%，动力消耗占总 的20%30%在热电厂中，如将锅炉也视作换热备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的70%左右2。因此，换热备的合、运转和 对于整个企业投资、金属耗量、空fi以 动力消耗有着重要。近十几 ，界面临着能源短缺的局面，为缓和能源紧张的 况，界各国竞相 取节能措施，大力发节能 已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题
11、。用 ，节能耗，倡导低碳生活和绿色的生存式， 高能源有效利用率势在必行，正是出于这 目的，许多 者对强化换热 行了大量的研究， 高换热器的换热效率 节约能源。换热备的合、运转和 对节省资金、能源和金属是十分重要的，因而强化换热对国民 发具有重大意义。强化传热是 换热器高效、紧凑换热的主要途径，其 本元件的 发研究一直备受注，各 行业对强化传热的具体要求各 相 ，但归纳 ，强化传热 总可以到下列目的2 (1) 减少初的传热面积和重量(2) 高 有换热器的换热能力1(3) 换热器在较低的温 下工作(4) 减少换热器的力，以减少换热器运行时的动力消耗(5) 高换热器的换热器能力， 时 得增加的力 至
12、于太大。其中，方 (5)是一 崭新的强化换热的方 ，由于很多传统强化换热的方 会明显带 流动力的大幅增加，而很多时候力增加的 价是大于换热增加带 的效益的，出 这 情况就会得 偿 了。方 (5) 求的目的是能 在换热系 和流动力这 者 fi 一个较 的 ，到减强化传热的效3。 的强化传热 可 的要求，如减少初 传热面积以减 换热器的体积和重量，或 高换热器的换热能力，或增大换热温 ，或减少换热器的动力消耗。这几个目的 可能 时 ，因为它 是相 制约的，在选 一 强化 前，必 其具体 ，对备体积、重量、投资 作 用 行 合平 4。在，对传统换热器备强化换热研究主要 中在 大方 1 一是 发新的换
13、热器 ，如板式、 板式、 动 管式、板翅式等等，这 换热器 都是尽可能 高换热效率 是对传统的管 式换热器 取强化措施。具体 ，就是用各管取 的管， 在较 用的有 管 、管、管、内翅管 管内currency1强化 是换热备的强化与用能系统的优化组合，就是“能量的 fi利用， 用能的流 fl于合的 ，低能耗 全系统的节能。无 是在面增加 面还是利用currency1 强化传热 ，传热效有了很大的 ，但这 方 有许多缺点，如换热管的加工制作工于”，增加金属消耗量而增加换热器重量， 于造成管子，换热能力增强的 时，力也相对增大许多，而造成运行成本的 高等。因此，它 在强化效、加工造价、流道通 、用、
14、流动力等方面 都有 ，其在 性能的 合性能 ，要 合的方式5。1.1.2 翅片管换热器强化传热技术在强化传热方 研究中，换热器体的传热热是 高换热器传热效的主要。对流换热强化 在体的应用要 合 许多因 要 流体的流 流或 流。在流对流换热情况下，流体 度和温度 分 ，流体核 到面都存在 度和温度的 度，因此对流换热 取的强化措施是 流体产生强 2的径 合， 核 流体的 度 、温度 于 ，面 面近 域的温度 度增大， 而强化流换热。在 流对流换热情况下，由于流体核 的 度 和温度 都已 较 ，对流换热热主要存在于 的流体性 中，因此对 流换热取的主要强化措施是 界， 传热温 发生在 加 近面的流
15、体中，增强换热能力6。但由于体导热系 和 热都 较低， 是 流换热也无 较高的换热系 。 以，此时 用增强流体动， 高换热系 的方 对空换热效 大，增加换热量 有效的方 应是大换热面积。用加 面 增加换热面积、减 流体通道的力直径，而 通道内温度 的分 就是强化空换热 用的 一，翅片管换热器如 1-1 就是 于 制造出 的。翅片的发主要分为 个 : 翅片、fi 翅片和带 流发生器的翅片。其中， 翅片 平直、等翅片fi 翅片 翅片、位翅片等带 流发生器翅片主要是通 流发生器产生 和 换热强化。翅片已由平直翅片片、 、 片和 翅片等多 高效 式演 ，平直翅片的强化传热效 如齿翅片和 翅片，但由于平
16、翅片换热器在结构和制造 的简单方便、运用 的耐久性 其较 的适用性，到目前为止，平翅片换热器仍是为 用的一 翅片管式换热器 一。平直翅片管 1-4 换热器具有良 的传热性能和低力性能，其在制冷、空调、化工、电子微器件散热如CPU热管式散热器-图1-1 翅片管式换热器实物模型31-2和1-3 等多个工业领域都得到广泛的应用7。 用平直翅片加强传热的机是传热面积的增大和力直径的减 ， 流体在通道中 成强 的紊动，而有效 低了热， 高了传热效率。研究发 ，翅片管式换热器管内热与铜管翅片的接触热 管 空的热为2 1 7 5。可见管 翅片的换热仍是制约换热器效能的主要因，因此，强化空的换热成了管翅式换热
17、器强化传热的重要问题。翅片管式换热器是一 在制冷、空调、化工等工业领域广泛 用的一 换热器 式，对它的研究 仅有利于 高换热器的换热效率和整体系统性能，而且对 翅片换热器的式，推出 加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。1.2 翅片管强化传热的数值解法随着高 机的出 和 的发，以 流的 发与完 ，用电子机作为和 的 成为可能，而可以用 方 求流体力和传热 中的各 各样的问题。图1-2 忍者I代塔式穿fin散热器 图1-3 10热管穿finCPU散热器图1-4 平直翅片管模型4传热 Numerical Heat Transfer，NHT 称传热 ComputationalHeat Tra
18、nsfer，CHT 是指对 写流动与传热问题的控制方 用 方 通机予以求的一门传热 与 方 相结合的交叉 科。 传热 求问题的 本 是 把 在空fi与时fi坐标中 的 量的 如 度 、温度 、浓度 等 ，用一系列有限个离散点称为节点，node 的 的 合 替，通一 的 则 这 离散点 量 fi系的 方 称为离散方 ，discretizationequation ，求 的 方 以获得 求 量的近似 8。 本 可以用 1-5 示。由于翅片管结构 各 工况因对换热效的十分”，以 方 方 为主要研究方 都 能 研究的要，而且随着机工业的 一步发，传热 与流体动力 发挥着越 越重要的作用。本文将针对平直
19、翅片管对换热特性与流动力的利用商业 件FLUENT6.2 行 。与 研究相 ， 具有以下一 优点9 图1-5 工程物理问题数值计算的一般步骤5(1) 性 。运用机的 方 行预测的重要优点是它的成本低。在大多际应用中，机运的成本要 相应的 研究的成本低 几个 量fi。而且随着机工业的 一步发fl器运 度的 高，硬件成本的下 ，它在科 研究的重要性将越 越突出。(2) 研究周期短。用机 行和研究能以 其惊人的 度 行。一个者能在一天 内研究出多 方案， 中选 佳的，而相应的 研究却要很长的时fi。(3) 完整。对一个问题 行 求可以得到详尽而完备的 。它能 在整个 域内 有的有 量如 度、压力、温
20、度、浓度等 的 。与 的情况 ，在中几乎没有 能到的位置。(4) 具有 条件的能力。人 有时为了研究一 本的 象，希望 若干 化的条件，如 性、绝热条件、流动充分发等等，在 中很 这样的一 条件和要求，而在 中却很难近似到这 化的条件。方 的这 优点 人 热衷于机的分 ，但是它也有一 局限性。因为结的准 度是由 的精度和 方 共 决 ，因此 和方 必 都具有良 的完 性，而且对于十分”的问题， 目前也很难获得。在研究领域中，目前 几乎已取 了 研究，但在流体力 与传热 的领域中， 研究、 分 与 这 研究 则是相辅相成、 为补充的。 分 方 的优点在于 得结具有普遍性，各 因清晰可见，可以为检
21、 结的准 度 合的，是指导 研究和 证新的 方 的 。但是，它往往要求对对象 行抽象和简化，才有可能得出 。测量方 是研究流动与传热问题的 本的方 ，它 得到的 结是真可信的，它是 分 和 方 的 ，一方面补充 有的结构试 库，另一方面为工 人员 新的 支持， 时还可以与 的结 行对 试 ，因而其重要性 低估。而， 往往受到 、流 动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通 方 得到结10。而 求(CFD)方 恰 克服了前面 方 的弱点，在机 了一个特 的，就 像在机 一 。它可以通 较各 号的换热器的6换热和流动力优 情况，初步给出换热器试 选 的 议， 能用于研究换热器的换热流动性能，对
22、换热器的 发和有指导作用。总 ，科 发到今天的 ，把 测 、 分 与 这 研究有机而协调 结合 ，是研究流动与传热问题的 而有效的方 。21.3 平直翅片管换热器的研究进展及成果人 在 行强化翅片 面换热的研究中， 出了各 强化换热的方 。总的 有以下的几 方 一是减 换热管的结构 ， 用 管径换热管 替大管径换热管，时减 管 fifl fifl。目前家用空调中 用的换热管 看，其管径有 减 的发 势，以前的9.52mm，7.94mm到 在的7.0mm 是增强空的 流强度，可通 流 流方， 到强化换热的目的，主要 用将翅片压成 ，由此产生了 翅片 是 用fi 式翅片 面，将翅片 面沿流方渐 ，以止翅片 面空流 界的发， 界在各面 ，在下一个条 成新的 界， 利用条的前缘效应，到强化换热的目的。属于这 翅片的有条 翅片和 翅片等。以下就国内 对这几 强化方式下的翅片的 研究 作 绍，如 1 示 7
