杜 弘，楊 鵬，張升平

(1.西安恒瑞工程流體設備有限責任公司，陜西 西安 710061； 2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

1 引 言

由于節(jié)水的要求，在化工、電力及民用等許多領(lǐng)域，冷卻器將空氣作為冷卻介質(zhì)，但是空氣側(cè)的傳熱熱阻相對較大，因此空氣冷卻器翅片作為有效地強化傳熱、增加擴展面積的手段而得到廣泛的應用[1]。翅片擴展面積的提高對換熱量的提高不是線性的關(guān)系，存在翅化效率的問題，因此對于一定應用場合存在不同的合適的翅片結(jié)構(gòu)。筆者對單排管在不同的翅片長度及不同的風速進行了數(shù)值計算，以判斷翅片長度的選擇與迎面風速的關(guān)系，為空冷器傳熱強化管的設計提供參考。

2 扁管作為傳熱管的應用

傳統(tǒng)空冷器的傳熱管基本都是圓管橢圓纏繞翅片管或矩形套片管。兩種管型在使用的時是多排結(jié)構(gòu)，由于自身的結(jié)構(gòu)特點和多排使用特點，在實際運行中灰污沉積快且難以清洗，在室外及環(huán)境空氣質(zhì)量差的場合運行效率低、成本高、清洗難度大、防凍能力差[2]。而大扁管外翅片采用全表面覆鋁釬焊技術(shù)減少了接觸熱阻，翅片表面平滑，無定位柱，灰污沉積速度相對低，清洗容易，因此大扁管加平直翅片釬焊的傳熱管型值得大力推廣應用。

扁管的管型承壓能力比較低，尤其管長度較長時，自身的穩(wěn)定性較差，但在有釬焊的翅片后強度增加，承壓能力提高。對于220 mm×20 mm×1.5 mm的基管，在無翅片的條件下，即使在常溫下，管內(nèi)外壓差為70 kPa時管子變形達到6.43 mm，而在加翅片后，翅片節(jié)距為3.2 mm，溫度增加到120 ℃，管內(nèi)外壓差為100 kPa時最大變形為0.24 mm，變形大幅度降低，如圖1、2所示。因此采用合適的基管結(jié)構(gòu)和翅片節(jié)距完全可提高扁管的承壓能力，大扁管直翅片的結(jié)構(gòu)可得到推廣應用。

圖1 常溫下無翅片時管子變形 圖2 高溫下有翅片時管子變形

3 翅片管的物理模型

按照單排管的基本結(jié)構(gòu)選擇長度為一個節(jié)距的翅片管建立計算的幾何模型。單排管的基管尺寸：220 mm×19 mm×1.5 mm，翅片：222 mm×19.5 mm×0.25 mm，節(jié)距：2.325 mm。

由于翅片管左右對稱，采用單排管的一半結(jié)構(gòu)，對稱簡化進行建模，在建模時考慮到空氣進入流道的進出口效應，將模型沿流道方向前后延長，以便當進出口得到穩(wěn)定狀態(tài)情況下的溫度壓力值。在入口采用速度入口條件，按照參數(shù)需要改變?nèi)肟诘牟煌俣龋隹跒閴毫Τ隹?。按照空冷器的工作條件，出口為環(huán)境氣壓；管內(nèi)為飽和蒸汽，因本課題不給出管內(nèi)冷凝的流動和傳熱特性，在此不再贅述。由于冷凝側(cè)熱阻大于空氣側(cè)對流換熱熱阻，將基管內(nèi)壁面設置為固定壁溫以簡化計算模型，其他邊界采用對稱方式。基管和翅片之間由于材料不同，設置不同材料導熱系數(shù)進行傳熱。不考慮基管與鋁片之間因焊接不完全造成的接觸熱阻，只需考慮導熱熱阻。模型內(nèi)部采用流固耦合換熱模型，與空氣接觸的基管和翅片與空氣的換熱方式為對流換熱，不考慮輻射傳熱的影響。

對基本結(jié)構(gòu)的單排管分別采用紊流和層流模型進行計算，將計算結(jié)果與在同樣的試驗參數(shù)條件下獲得的物理試驗結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3 層流紊流計算與試驗比較

比較結(jié)果顯示，采用層流流動方式建立數(shù)學模型獲取的結(jié)果與試驗結(jié)果相近，采用紊流的計算方法則放大了單排管的實際換熱能力。在計算中管間采用的是絕熱邊界條件，在試驗中為測量的需要對絕熱邊界進行適當延長，絕熱邊界和翅片間填充保溫材料。由于兩者處理上略有不同，所以溫度略有差異。

4 數(shù)學模型的建立

模擬計算中未考慮蒸汽側(cè)的熱阻、翅片與基管之間的接觸熱阻及實際運行過程中單排管的內(nèi)外污垢熱阻。根據(jù)以上分析，空氣在翅片管間的流動為層流、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮流動。計算中不計重力影響，物性根據(jù)每次迭代狀態(tài)不同而改變。常物性條件下,其流動和傳熱滿足以下控制方程[3]：

質(zhì)量守恒(連續(xù)性)方程:

(1)

動量守恒方程：

電廠周圍環(huán)境空氣風場可以看成是不可壓縮的，外流場應滿足的三維控制方程為：

(2)

本構(gòu)關(guān)系：

(3)

(4)

能量守恒方程：

(5)

式中：ρ為空氣密度；u為速度，i,j,k=1,2,3；p為壓力；μ為流體動力粘性系數(shù)；τij為應力張量；sij為應變率張量；t為空氣溫度；a為導溫系數(shù)；u,v,w分別表示空氣在x,y,z方向上的速度分量。

5 翅片長度對傳熱性能的影響

沿空氣流動方向在翅片中線上均勻布置壁溫測點，相鄰2個測點之間間隔為10 mm，共20個測點?？諝鉁囟葹橥瑯游恢玫?個翅片中間的空氣溫度，即在節(jié)距中心取出沿空氣流動方向的20個測點，這些測點在垂直流動方向上與壁溫測點對應。在200 mm的翅片長度時，如果以翅片每增加10 mm空氣溫度升高1 ℃為限，風速則為0.5 m/s時位置為100 mm；1.0 m/s位置為150 mm；1.5 m/s時位置為180 mm；2.0 m/s時位置為190 mm；2.5 m/s時位置為200 mm；3.0 m/s時位置為160 mm。在風速1.5 m/s和2.5 m/s時溫度比較圖如圖4、5所示。

圖4 風速為1.5 m/s時翅片壁溫與空氣溫度的比較

在風速較低時，換熱能力較差，空氣溫度升高較快，在較短的流程內(nèi)達到空氣的最高溫升，因此通過增加翅片長度來增加換熱面積能夠帶走的熱量很有限。當風速提高到3 m/s，翅片間的換熱強化，達到最大空氣溫度所需要的翅片長度反而減少。綜上所述，可得知翅片長度是否需要增加與設計的迎風速度有密切關(guān)系。

圖5 風速為2.5 m/s時翅片壁溫與空氣溫度的比較

翅片表面溫度越大，與空氣的溫差越大，傳熱溫差也越大，傳遞給空氣的熱量越多。從圖6、7中可看出，翅片壁面溫度變化最大的區(qū)域在70 mm的翅片長度以內(nèi)。單純從傳熱角度，在風速為1.5 m/s時，翅片長度超過250 mm后壁面溫度變化很小，又由圖4可知，此時空氣溫度已經(jīng)達到最高溫升，從而翅片長度超過250 mm后傳熱溫差變化很小，傳熱性能不會繼續(xù)提高。從溫度云圖8、9可看出，在迎面風速為2.5 m/s時，翅片長度的改變對翅片溫度幾乎沒有影響，而在空氣側(cè)隨著翅片長度增加，出口空氣溫度增加，故而這部分空氣溫度的增加需要較長的翅片距離完成。從這點說明翅片長度的增加使后期翅片的傳熱效率降低，但隨著風速的提高，效率有所提高。

圖6 風速為1.5 m/s時翅片溫度沿空氣流動方向的分布

圖7 風速為2.5 m/s時翅片溫度沿空氣流動方向的分布

圖8 風速2.5 m/s翅片壁面溫度云圖 圖9 風速2.5 m/s中間層空氣溫度云圖

6 結(jié) 論

(1) 在不同的迎面風速下，翅片長度增大到一定值后，翅片壁溫變化不大，空氣溫度增加緩慢，此時通過增加翅片長度的手段來強化換熱性能收效甚微。

(2) 在低迎面風速下，傳熱能力較差，通過不斷增加翅片長度來增加帶走的熱量有限，此時翅片長度不宜過長。

(3) 在高迎面風速下，翅片壁溫和空氣溫度仍有溫差，而此時空氣出口溫度增加只能通過增加翅片長度來完成。

參考文獻：

[1] 丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].太原：水力電力出版社，1992.

[2] 楊世銘.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].第二版.西安:西安交通大學出版社，2004.