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        縱向翅片扁管換熱器的結構及其優化

        點擊:1718 日期:[ 2014-04-26 21:35:46 ]
                                 縱向翅片扁管換熱器的結構及其優化                              顧平道,胡亞娟,湯國芳                             (東華大學,上海201620)     摘要:通過建立數值優化模型,對縱向翅片扁管換熱器進行結構優化,得到了翅片長度、翅片間距及翅片高度對換熱器熱阻及空氣側對流換熱系數的影響,同時還研究了不同熱源溫度、不同風速時換熱器的優化結構,為工程應用提供了參考。     關鍵詞:縱向翅片;扁管;換熱器;結構優化     1·引言     新型高效換熱器的開發和制造技術一直是能源利用領域研究的熱點,它直接關系到化工、電力、石化等行業的能源利用率??v向翅片扁管換熱器作為一種新型的換熱器,如圖1所示:                  與管殼式圓管換熱器相比有以下優點:     (1)結構中縱向矩形翅片圍繞扁管直邊段并沿換熱器的縱向平行分布,氣體沿扁管軸向方向,即翅片同向流動,且與管內介質的流動路徑平行,可強化傳熱、減少氣側阻力、不易積灰結垢、維護方便[1];     (2)以扁管代替普通換熱器中圓形截面換熱管,其壁厚相對比較薄;同樣換熱面積,用材較少,從而使產品價格大大降低;     (3)管壁厚的減薄削弱了傳熱時的熱阻,使傳熱系數得以增大,從而使其傳熱和熱阻的綜合性能指標高于圓管[2]。     2·換熱器數值優化模型建立及優化步驟     翅片管具有對稱性,所以只需對管外一側的翅片結構進行計算,其結構參數有:基管寬度200mm,翅片高度20 mm,翅片厚度0. 2 mm,翅片間距2. 0 mm,翅片90個。本文對管長分別為400mm和600 mm兩種結構進行優化和對比分析。物性參數:環境溫度取25℃,熱源取恒定溫度為50℃,定性溫度取熱源和環境溫度的平均值;翅片材料的導熱系數:λ=236W /(m·k)。在Qfin軟件中建立模型如圖2所示。                   在Qfin優化中采用的邊界條件是等壁溫通道,熱阻R用散熱器和冷卻流體之間的最大溫差(Tf,o-Tf, i)除以熱源功率Q定義[3]:                  式中,Q為熱源功率,W;m為通過通道流體的質量流量, kg/s;h為對流換熱表面傳熱系數,W /(m2·K);Ag為換熱表面積,m2;Tf,o為通道出口處流體的溫度,K;Tf, i為通道進口處流體的溫度,K。     對換熱器進行優化設計時,在估計一個參數對換熱性能的影響時必須要考慮到其它參數的影響。換熱器的優化問題屬于有約束的多變量優化問題,本文利用Qfin軟件以空氣側的換熱熱阻最小為目標函數對翅片結構進行優化。對優化目標函數(空氣側的熱阻)的求解,文中所采用的優化方法是借鑒成熟的平行通道流動、傳熱經驗和理論公式來簡化和加快求解速度的方法。其具體優化步驟如圖3示:                  3·換熱器結構優化設計     考慮到換熱器結構優化的多變量問題,對翅間距和翅片高度的優化方案有兩種:單獨優化和綜合優化?,F對長400 mm翅片結構在風速為2m/s時的優化過程進行介紹。     3. 1翅片間距和翅片高度單獨優化及分析     優化的方法:先以翅片個數作為優化變量(確定較優的翅片個數,基管的寬度不變,也就是確定了翅間距),在此基礎上再以高度作為優化變量,進行結構優化。     (1)模型①:優化目標:熱阻最小;優化變量:翅片個數n(45~110個);約束條件:翅間距小于等于5. 0 mm,壓降小于等于43. 0 Pa;監視參數:平均對流換熱系數。然后進行優化處理,其迭代過程見表1。     由表1可以看出,隨著翅片個數的減小,平均對流換熱系數逐漸增加,熱阻逐漸減小;而且翅片個數對平均對流換熱系數的影響較大而對熱阻的影響相對弱些。從表中可以確定較優的翅片個數為70個,因為基管的寬度不變,也就是確定了翅間距,即2. 7 mm。     (2)優化模型②:在優化①的基礎上,即翅片間距為2. 7 mm時的優化模型:優化目標:熱阻最小;優化變量:翅片高度(15 mm~25 mm);約束條件:壓降小于等于43. 0 Pa;監視參數:平均對流換熱系數。其迭代過程見表2。     從表2中可以看出,平均對流換熱系數隨著翅片高度的增加而增加,熱阻隨著翅片高度的增加而減少,但高度過大,翅片沿高度方向溫度逐漸降低,與周圍流體的溫差越來越小,應用翅片效率[4]這一概念使其控制在一定范圍內。翅片高度對熱阻的影響程度高于對平均對流換熱系數的影響,這與翅片間距的影響作用正好相反,而且由于翅高增大使通道過流斷面面積增大,流動阻力損失減小,所以隨著翅片高度的增加壓降有下降的趨勢。從表中可以得到最優的翅片高度為25mm。     綜合考慮熱阻、壓降、平均對流換熱系數,從模型①、②的優化過程可以看出翅片個數為70、間距為2.7mm、高度為25mm時的翅片結構較優。     3. 2 翅片間距和翅片高度綜合優化及分析     方案二是同時將翅片個數和翅片高度作為優化變量,優化參數設置為:優化目標:熱阻最小;優化變量:翅片數n(50~100個),翅片高度(15 mm~25 mm);約束條件:翅間距小于等于5. 0 mm;監視參數:平均對流換熱系數,壓降。     由表3可以看出,在翅片個數小于等于70時,隨著翅片個數和翅片高度的增加,熱阻逐漸減小,平均對流換熱系數逐漸增大;當翅片個數大于70,高度為25 mm時,隨著翅片個數的增加,熱阻保持不變,而平均對流換熱系數逐漸降低,這說明翅片個數為70時,散熱量已達到飽和,熱阻不再隨著翅片個數的增加而減小,根據熱阻與平均對流換熱系數之間的對應關系(h=1/r/A)可知,翅片個數增加使換熱面增大,熱阻不變,平均對流換熱系數隨著翅片個數的增加而減小。優化過程中,翅片個數大于70后,高度對熱阻的大小起決定作用,高度減小就會引起熱阻的增大,而平均對流換熱系數幾乎不變。     從兩種優化方案看,翅片數的優化與翅片高度無關,所以方案一(先對翅片數優化,在其優化的基礎上對高度優化)是合理的。從翅間距、翅高度對換熱性能的影響上看,方案一較方案二更直觀;從優化過程和結果來看,方案二更方便快捷。     4·基于不同參數換熱器結構優化及分析     4. 1 不同熱源溫度時換熱器結構優化     以上優化方案的熱源都是50℃恒溫熱源,考慮到實際應用中熱流體溫度的多樣性,需討論熱源對換熱器結構優化的影響,本文以50℃恒溫熱源下的原翅片最優結構為例,改變熱源溫度,在進口風速為2m/s下對結構進行優化,優化的結果見表4。從表中看出,熱源溫度的變化對翅片結構的優化結果沒有影響,且熱阻不變,但隨著熱源溫度的增大,平均對流換熱系數和壓降有所增加,這是因為熱源溫度的增加導致空氣通道中速度的加大。     4. 2 不同風速時換熱器結構優化及性能比較     不同風速對應不同的較優翅片結構,在實際應用中,應根據所要求的風速,選擇相應的翅片結構。其它特定速度下翅片結構的優化結果見表5。表中“結構1”表示400 mm長翅片結構;“結構2”表示600 mm長翅片結構。       表5中的數據為縱向翅片扁管在工程上應用提供了參考。從表中可以看出,在翅片長度一定的情況下,速度越大,翅片個數越多,即間距越小。翅片長度越短要求的翅間距越小。在高度方面,每種速度下的優化結果都為高度范圍內的最大值。            圖4為在不同速度下換熱器結構優化前后性能的比較, 400 mm長的翅片管經過結構優化后,風速為2 m/s、6 m/s時平均對流換熱系數分別提高11. 2%和9. 2%,風速為3 m/s和4 m/s時優化后平均對流換熱系數提高很少,此時優化的結構接近原結構。風速大于4 m/s時,隨著速度的增加,較優結構平均對流換熱系數提高得越多。600 mm長的翅片管,風速為5 m/s時,優化后的翅片結構與原翅片結構接近。在風速小于5m/s時,隨著風速的增加,較優翅片結構平均對流換熱系數提高得越少,風速大于5 m/s時,隨著風速的增加,原翅片結構優化的空間逐漸增大。     5·結論     用翅片扁管換熱器管代替管殼式圓管換熱器,可以克服管殼式圓管換熱器容易積灰堵塞、清灰困難、生產成本高、熱阻大等缺點,進一步提高了換熱效率。本文在對其進行結構優化的過程中可以得到以下結論: (1)換熱器平均對流換熱系數隨著翅片間距的減少而增加,隨著翅片高度的增加而增加;熱阻隨著翅片間距的減少而減小,隨著翅片高度的增加而減少,但高度過大,翅片沿高度方向溫度逐漸降低,與周圍流體的溫差越來越小。從兩種優化方案看,翅片間距的優化與翅片高度無關。(2)熱源溫度的變化對換熱器結構的優化沒有影響,且熱阻不變,但隨著熱源溫度的增大,平均對流換熱系數和壓降有所增加。(3)不同速度時,在翅片長度一定的情況下,速度越大,間距越小;翅片長度越短,翅間距越小;在高度方面,每種速度下的優化結果都為高度范圍內的最大值。 參考文獻 [1]李向群.縱向翅片管在熱管換熱器中的應用[J].現代節能, 1992(2): 11-13. [2]王澤武.扁管管內傳熱性能實驗研究[J].武漢化工學院學報, 2003, 25(4): 71-74. [3] Incropera F P, DeW ittD P. Fundamentals of heat andmass transfer [M]. New York: W iley, 1990. [4]章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學[M].北京:中國建筑工業出版社, 2001: 43-45.
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