圓管平直翅片散熱器翅片導熱系數(shù)對其傳熱特性影響

圓管平直翅片散熱器翅片導熱系數(shù)對其傳熱特性影響蓋曉平;王良璧;林志敏;王燁【摘要】圓管翅片式散熱器是空調冷凝器、蒸發(fā)器常用的一種散熱設備.提高該種散熱器的傳熱性能、降低運行阻力可以減少機械能的消耗，減少排放.采用了完全耦合的數(shù)值方法對不同翅片材料下散熱器在工況、結構不同時的性能進行了研究.分析了努塞爾數(shù)Nu、傳熱系數(shù)K隨著翅片導熱系數(shù)、管間距的變化關系.進一步分析了翅片材料、管間距對翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊?【期刊名稱】《蘭州交通大學學報》【年(卷)，期】2010(029)003【總頁數(shù)】7頁(P55-61)【關鍵詞】管翅式散熱器;導熱系數(shù);數(shù)值分析;傳熱特性【作者】蓋曉平;王良璧;林志敏;王燁【作者單位】蘭州交通大學，機電工程學院，甘肅，蘭州,730070;蘭州交通大學，機電工程學院，甘肅，蘭州,730070;蘭州交通大學，機電工程學院，甘肅，蘭州,730070;蘭州交通大學，機電工程學院，甘肅，蘭州,730070【正文語種】中文【中圖分類】TK1240引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，以能源為中心的環(huán)境、生態(tài)等問題日益加劇，節(jié)能是非常重要的,也是當務之急，世界各國都在尋找新能源和節(jié)能新途徑.圓管翅片式換熱器是一種常見的換熱器[1],是空調冷凝器、蒸發(fā)器常用的一種散熱設備在工業(yè)和民用設施中有著廣泛的應用.提高該種散熱器的傳熱性能、降低運行阻力，可以減少機械能的消耗從而可以大大節(jié)省能源，減少排放，符合我國當前節(jié)能減排的要求.圓管翅片式散熱器對有色金屬消耗很大,目前用得比較多的為銅管鋁翅片管式散熱器[2],為了進一步提高換熱器性能,一種可行的方法就是尋找更好的翅片材料.如果能夠在不影響傳熱性能和運行阻力的前提下找到有色金屬的替代品，這對減少我國依賴礦石進口、凈化環(huán)境等均有著重要意義.因此有必要對不同翅片材料下散熱器的性能進行研究.由于散熱器的結構比較復雜，影響散熱器性能的因素眾多,所以散熱器性能的傳統(tǒng)研究多以實驗為主.實驗結果一般可靠性比較高，但是實驗通常需要耗費大量的時間和資源才能得到高質量的產品.因而數(shù)值分析方法無疑為經濟、安全地設計、評價和改造換熱器提供了一種強有力的手段[3-5].鑒于以上幾個方面的原因,本文采用了完全耦合的數(shù)值方法對不同翅片材料下散熱器在工況、結構不同時的性能進行了研究.分析了努塞爾數(shù)Nu、傳熱系數(shù)火隨著翅片導熱系數(shù)、管間距的變化關系，說明了翅片材料、管間距對翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊?1物理模型本文所研究的換熱器為圓管翅片式換熱器如圖1所示.受計算機內存的限制，數(shù)值分析模型結構如圖2所示.圖1圓管翅片式散熱器物理模型Fig.1Physicalmodeloffinnedtubebankheatexchangers圖2圓管翅片式散熱器數(shù)值分析模型Fig.2Numericalanalysismodeloffinnedtubebankheatexchangers散熱器結構參數(shù)Tp=2.0mm為翅片凈間距代tube=0.15mm為圓管管壁厚S,d=10.24mm為圓管直徑,S1為圓管的橫向間距,S2為圓管的縱向間距.2數(shù)學描述2.1控制方程在建立流動與傳熱物理模型時，作以下簡化假設：1）流體物性為常數(shù)；2）圓管翅片式散熱器中流動是定常的，處于層流狀態(tài)；3）流體是粘性不可壓縮的；4）不考慮流體中的粘性耗散和質量力.根據(jù)以上假設，描述流體流動和管內對流傳熱的方程為連續(xù)性方程：動量方程：能量方程：式中:P為密度,kg/m3;p為動力黏度,Pa°s;cp為定壓比熱,J/（kg°K）;A為導熱系數(shù),W/（m*）.2.2邊界條件1）肋片壁面肋片上、下表面的溫度邊界條件通過在界面上溫度和熱流密度的連續(xù)性來實施:肋片兩端表面采用絕熱邊界條件:與管壁相接處表面的溫度邊界條件通過界面上溫度和熱流密度的連續(xù)性來實施：未與管壁相接處的表面采用對稱邊界條件：2）空氣側流動通道進口邊界條件：出口邊界條件:局部單向化條件對稱面上的邊界條件:法線方向速度分量為v=03）圓管壁面固體側壁面固體側的速度邊界條件:無滑移邊界條件進口端和出口端的邊界條件:絕熱邊界條件由于管內流體沿著z方向流動，此時的進出口是沿著z方向的.對稱面的邊界條件:對稱邊界條件兩排管壁面上的邊界條件:溫度邊界條件通過界面上溫度和熱流密度的連續(xù)性來實施.單排管管壁面上的邊界條件:溫度邊界條件通過界面上溫度和熱流密度的連續(xù)性來實施圓管內流體進口邊界條件:出口邊界條件：2.3求解特定變量本文需求解的特定變量主要有:傳熱系數(shù)K,平均阻力系數(shù)f,空氣側局部努塞爾數(shù)Nu(x,y),平均努塞爾數(shù)Nu.傳熱系數(shù)K:空氣側局部努塞爾數(shù):平均努塞爾數(shù):平均阻力系數(shù)f:定型尺寸De的計算[6]:對于圓管翅片式散熱器中流動與換熱的問題,定型尺寸取為最小截面處的水力直徑為式中:Tp為翅片的凈間距,mm;S1為圓管的橫向間距,mm;d為圓管的直徑,mm.3數(shù)值計算方法圖2所示數(shù)值分析區(qū)域是一復雜區(qū)域，且計算區(qū)域包括流體區(qū)和固體區(qū).在用有限容積方法時要進行坐標變換,把物理空間一復雜的區(qū)域變換成計算空間比較規(guī)整的區(qū)域.為了統(tǒng)一物理空間的控制方程(2)和(3)可以寫成如下形式：將物理空間控制方程(23)轉換到計算空間為然后在計算空間用有限容積法求解方程(24).用控制容積積分法對控制方程進行離散，離散控制方程為通用的七點格式［5］.本文中對流項采用乘方格式來離散，而擴散項采用中心差分格式來離散，最終得到通用控制方程的離散表達式為［8］其中:系數(shù)計算方法見文獻［8］.計算中采用了SIMPLE算法［5］,在同位網(wǎng)格上采用Rhie-Chow［7］的方法計算界面上逆變速度，在計算界面上的壓力梯度時啟然地把相鄰兩點間的壓力差引入到計算中，從而可以抑制不合理的壓力場的產生.物理空間一點與計算空間一點的對應關系完全由物理空間的網(wǎng)格保證.方程(25)的解就是和計算空間P點對應物理空間P'點的解.本文用兩面法生成網(wǎng)格并采用微分方程法［8］進行局部修正.圖3所示為一典型圓管翅片式散熱器數(shù)值分析所用網(wǎng)格.圖3網(wǎng)格示意圖Fig.3Gridsystem在正式計算之前首要任務是對計算結果的網(wǎng)格依賴性進行分析.現(xiàn)對板間距Tp=2.0mm,空氣側雷諾數(shù)Rea=1000工況，在3種不同網(wǎng)格進行數(shù)值分析.3種不同網(wǎng)格系統(tǒng)為295x37x29,247x31x25,175x25x15.所得空氣側Nu和f的結果如表1所示.表中加密網(wǎng)格時Nu的誤差為-0.327%,阻力系數(shù)f的誤差為0.950%;稀疏網(wǎng)格時Nu的誤差為1.724%,阻力系數(shù)f的誤差為-3.16%.誤差都在5%以內，因此，加密或稀疏網(wǎng)格對數(shù)值計算結果影響很小,所以在數(shù)值分析時所用網(wǎng)格系統(tǒng)為247x31x25,所得的數(shù)值解是網(wǎng)格獨立的解.表1圓管翅片式散熱器空氣側Nu和f在3種不同網(wǎng)格下的數(shù)值計算結果Tab.1NumericalanalysisresultofNuandfoffinnedtubebankheatexchangersinthreedifferentgridsystems網(wǎng)格大小Nuf295x37x298.95420.25704247x31x258.98360.25462175x25x159.13850.246564計算結果及分析4.1翅片材料對換熱器傳熱系數(shù)的影響為了高效地利用有色金屬，探討翅片材料對散熱器性能的影響是非常有必要的?眾所周知，在不考慮金屬材料的力學性能時，材料對散熱器性能的影響主要在于材料的導熱能力.本節(jié)選擇了5個不同的導熱系數(shù)入fin=20,50,100,236,380W/(m*),在工況Rew=1000,Rea=200下，獲得的數(shù)據(jù)如表2所示，分別給出了翅片導熱系數(shù)對散熱器的傳熱系數(shù)K、努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)f的影響.表2散熱器性能與翅片材料之間關系Tab.2RelationbetweenmaterialoffinsandheatexchangersperformanceS1/S2Tp/mmSfin/mm入tube/(WKm*)-1)入fin/(WKm*)-1)K/(W°(m2°K)-1)Nuf20.153802031.22105.84050.50820/15.520.153805036.51345.75650.50820.1538010038.76685.74730.50820.1538023639.96035.74540.50820.1538038040.10365.74470.50820.153802027.97086.22550.55223/15.520.153805033.94396.03120.55220.1538010036.67595.98150.55220.1538023638.24705.95610.55220.1538038038.51095.94810.55220.153802019.13486.53240.43525.3/2220.153805025.72096.10280.43520.1538010029.20485.98410.43520.1538023631.29315.91080.43520.1538038031.57575.88500.435從表2中可以看出,散熱器性能與翅片材料之間的關系.在同一管間距、同一工況T,Nu數(shù)隨著翅片導熱系數(shù)的增大而減小，最終達到一恒定值;Nu數(shù)在導熱系數(shù)為20~100W/(m*)的范圍內減小了1.599%,Nu數(shù)在導熱系數(shù)在100~380W/(m*)的范圍內減小了0.045%,很明顯導熱系數(shù)較小的時候比較大時對Nu數(shù)的影響要大得多.同一工況下，阻力系數(shù)f隨著橫向管間距的增大而增大，隨著橫向管間距的增大而減小.從圖4中可以看出,同一管間距傳熱系數(shù)K隨翅片材料的變化,在同一管間距、同一工況下，傳熱系數(shù)K隨著翅片導熱系數(shù)的增大而增大，并且其增大速度隨著翅片導熱系數(shù)的增大而減慢，最終趨向一恒定值.在同一工況下，當管間距為S1/S2=20/15.5時導熱系數(shù)由20W/(m*)增加到100W/(m*)時傳熱系數(shù)K由31.2210W/(m2*)增加到38.7668W/(m2*),增加了24.17%;而導熱系數(shù)由100W/(m°K)增加到380W/(m*)時傳熱系數(shù)K由38.7668W/(m2°K)增加到40.1036W/(m2*),增加了3.45%.很明顯當導熱系數(shù)較小時傳熱系數(shù)K增加比較快，也就是說當翅片的導熱系數(shù)較小(入＜100W/(moK))時，改變翅片的材料可以很好的改變散熱器的傳熱系數(shù)，從而改變散熱器的換熱性能;而當翅片的導熱系數(shù)較大(入＞100W/(m*))時,改變翅片的材料對散熱器的換熱性能影響不大.圖4同一管間距傳熱系數(shù)K隨翅片材料的變化Fig.4RelationbetweenmaterialoffinsandheattransfercoefficientKinthesamepitch在同一管間距、同一材料下，傳熱系數(shù)K隨著雷諾數(shù)Rea的增大而增大，但隨著雷諾數(shù)Rea的增加，傳熱系數(shù)K的增加量在減小，增加速度變慢.圖5不同管間距傳熱系數(shù)K隨翅片材料的變化Fig.5RelationbetweenmaterialoffinsandheattransfercoefficientKindifferentpitches從圖5中可以看出,不同管間距傳熱系數(shù)K隨翅片材料的變化關系.在同一工況、同—材料下,管間距越大傳熱系數(shù)K越小，而且橫向和縱向管間距同時增大時的傳熱系數(shù)K要比只有橫向管間距增大時的傳熱系數(shù)K低得多;在管間距相同時,同一材料下,傳熱系數(shù)K隨著雷諾數(shù)Rea的增大而增大，雷諾數(shù)Rea增大意味著流動速度增大,近壁區(qū)與主流區(qū)之間的動量和能量交換作用也就更為顯著.因此，隨著雷諾數(shù)Rea的增大，換熱作用有所增強，即傳熱系數(shù)K隨著雷諾數(shù)Rea的增大而增大.4.2翅片材料對翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊?.2.1同一管間距時翅片材料對翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊憦膱D6中可以看出，同一管間距下橫向平均努塞爾數(shù)Nu沿著主流方向的變化趨勢.在每一排圓管處，橫向平均努塞爾數(shù)Nu都出現(xiàn)峰值燃后橫向平均努塞爾數(shù)Nu的值逐漸減小.橫向平均努塞爾數(shù)Nu在圓管前端出現(xiàn)最大值的原因是因為圓管前端過流面積減小，使得流體速度增加，而且流動方向突然改變，流體沿著圓管流動，這些都增強了圓管前端的換熱.在圓管末端處由于出現(xiàn)了尾渦，使得橫向平均努塞爾數(shù)Nu很小，因為尾渦的存在抑制了這一區(qū)域的對流換熱.相同管間距時，在第一排圓管處，同一x值處，橫向平均努塞爾數(shù)Nu隨著翅片導熱系數(shù)入的增大而減小后面兩排圓管處橫向平均努塞爾數(shù)Nu隨著翅片導熱系數(shù)入的變化不明顯.但隨著雷諾數(shù)Rea的增加也會出現(xiàn)第一排圓管處的變化.圖6同一管間距橫向平均Nu沿主流方向的變化Fig.6DistributionofspanaveragedNuinthesamepitch4.2.2管間距對翅片表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊憟D7不同管間距橫向平均Nu沿主流方向的變化Fig.7DistributionofspanaveragedNuindifferentpitches由圖7中可知相同雷諾數(shù)Rea,不同管間距時，同一x值處，橫向平均努塞爾數(shù)Nu隨著管間距的增大而增大.在每一排圓管處，橫向平均努塞爾數(shù)Nu都出現(xiàn)峰值,然后橫向平均努塞爾數(shù)Nu的值逐漸減小.隨著管間距的增大，受圓管前端阻攔而產生的渦旋流的流動空間增大，而圓管的叉排布置形式又為渦旋流的進一步流動提供了條件,所以換熱得到了強化.因此努塞爾數(shù)Nu隨著管間距的增大而增大.5結論1）在同一管間距、同一工況下,Nu數(shù)隨著翅片導熱系數(shù)的增大而減小;并且導熱系數(shù)較小的時候比較大時對Nu數(shù)的影響要大得多.阻力系數(shù)f隨著橫向管間距的增大而增大.2）在同一管間距、同一工況下，傳熱系數(shù)K隨著翅片導熱系數(shù)的增大而增大,并且其增大速度隨著翅片導熱系數(shù)的增大而減慢，最終趨于一恒定值，該恒定值隨著雷諾數(shù)Rea的增大而增大.當翅片的導熱系數(shù)較?。ㄈ雟100W/（m*））時，改變翅片的材料可以很好的改變散熱器的傳熱系數(shù)，從而改變散熱器的換熱性能;而當翅片的導熱系數(shù)較大（入＞100W/（m*））時，改變翅片的材料對散熱器的換熱性能影響不大.在同一工況、同一翅片材料下，傳熱系數(shù)K隨管間距的增大而減小。3）在同一管間距下、同一x值處，橫