浓淡燃烧燃气热水器翅片管式换热器数值模拟研究

同济大学机械与能源工程学院 高召宝 周伟国 罗 洋



浓淡燃烧燃气热水器翅片管式换热器数值模拟研究

同济大学机械与能源工程学院 高召宝 周伟国 罗 洋

采用数值模拟的方法对浓淡燃烧燃气热水器翅片管式换热器进行仿真模拟研究，对实际设备进行合理简化，分别研究换热管内螺纹、翅片的形式以及翅片的数目对换热器内流体流动和换热的影响，并将实验测得的数据与模拟结果进行比较。比较结果表明：带有螺纹的换热管对水的出口温度影响较小；异形翅片的换热效果要优于平面翅片的换热效果；换热器内水的出口温度随翅片数目的增加呈对数函数分布。

浓淡燃烧燃气热水器 翅片式换热器 数值模拟 强化传热

0 概述

在能源危机较为严重的当今，对于强化换热的研究越来越受到关注。翅片管式换热器结构紧凑、体积小、质量轻、经济，这些突出优点使其在动力、化学、石油化工、空调工程和制冷工程中应用非常广泛。翅片管换热器的换热管是否带有螺纹、翅片的类型和结构尺寸是影响换热器性能的重要因素。秦富友等《光管和外螺纹管换热器的换热性能比较》对光管和外螺纹管换热器的换热性能进行了实验研究，结果表明在相同条件下，外螺纹管换热器与相同结构尺寸的光管换热器相比，总传热系数可以提高10%~17%；李媛等《板翅式换热器翅片表面性能的三维数值模拟》以及张永军等《翅片管换热过程数值模拟及其结构优化》对换热器中翅片的间距、高度、厚度对换热过程的影响，得出了最优的翅片布置类型。本文基于上述研究结果对翅片的形状、数目以及换热管中的螺纹进行了数值模拟。

1 物理模型及网格划分

数值模拟所选翅片管式换热器的基管为圆管，管束外直径为16 mm，壁厚为0.8 mm。圆管内部带有螺纹，管段外是利用机械安装的翅片，共有69片，翅片壁厚为0.25 mm，相邻翅片之间的间距为2.25 mm，模型简化图见图1。翅片管式换热器铜管内为水后域，管束外部为烟气流域，来自燃烧室内的高温烟气进入换热器，高温烟气外掠换热器管束及其外部翅片后排入大气中，管束内的水吸收高温烟气的热量，从而达到升温的效果。

图1 简化后换热器模型

原模型中有68个翅片，但在模拟过程中，由于结构多且细密而无法划分网格，因此采用逐渐增多翅片的方式进行模拟。翅片逐渐采用0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片的方式观察换热情况，并且模拟管内有和没有螺纹的影响。最后再通过拟合的方式计算整体换热情况。翅片主体形状保持不变，而表面上的凹凸结构被简化。由于翅片很薄，忽略翅片端部传热，认为绝热；忽略翅片和铜管外壁接触热阻，认为翅片根部与铜管外壁温度相同；但换热器的换热管以及翅片保持原有壁厚。

螺纹管在划分网格过程中会导致质量太差，因而将螺纹管改为方形圆环均匀分布在换热管内。改为方形螺纹的依据：

(1)螺纹总长度相同。

(2)螺纹断面的水力半径相同。

含有不同数目翅片的换热器模型是将翅片均匀分布在换热管段上，含有螺纹的管段和不含螺纹的管段主要在于换热管段的内表面。

换热器共分为三个流体域，分别为烟气流域，水流域和换热材料固体域。本文对三个区域采用四面体非结构化网格进行划分，翅片管式换热器某截面上的网格见图2。并对翅片的固体域，水的进出口界面，烟气进出口界面进行局部加密。某截面的网格局部加密图见图3。

图2 翅片管式换热器某截面上的网格

图3 某截面的网格局部加密

2 流动与传热控制方程

连续方程(质量守恒方程)、动量方程、能量方程和组分方程(或称扩散方程)统一形式为：

J——输送通量；

S——源项。

当=0，J=0，S=0上式就是连续方程；而当表示速度u，能量或质量，上式就分别代表动量、能量或组分平衡方程。对于稳态不可压缩单组分流动，上式中变量对时间的偏导为零。

3 物性参数及边界条件

表1 烟气的组成

由于水和纯铜材料的比热容远大于干烟气，因此，温度变化主要发生在烟气侧，故忽略温度变化对水和不锈钢材料物性的影响，仅考虑烟气各组分比定压热容随温度变化，在Fluent物性参数中对烟气定压比热容采用分段线性来描述。换热管束中水的比热容取4 200 J/(kg·K)，密度取998.2 kg/m3，热导率取0.6 W/(m·K)。换热管束纯铜物性参数按照常数确定，导热率为387.6 W/(m·K)，定压比热容为381 J/(kg·K)，密度取8 978 kg/m3。

在计算过程中，假定烟气为不可压缩粘性流体，烟气进口条件以燃烧室出口所得的烟气条件作为换热器烟气进口的条件，烟气进口为速度入口边界条件，速度为3.189 m/s，烟气温度为1979 K。烟气出口为压力出口边界条件，其值取273 Pa。水进口设为速度入口边界条件，入口和出口面积为0.000128 m2，速度为1.19 m/s，水温度为290.35 K。水出口设为压力出口边界条件，Fluent可使出口边界上速度和压力满足全发展流动假设。换热管束、翅片为有厚度的壁面边界条件，翅片壁厚为0.25mm，换热管束外直径为16 mm，壁厚为0.8mm。换热器外壳为无厚度的绝热壁面边界条件。

4 求解模型和求解方法

Fluent是基于有限体积法对控制方程进行离散和求解，求解模型需要打开能量方程，湍流模型悬着k－ε两方程模型。由于烟气是由多组分构成，因需要打开组分输送模型。，速度压力耦合求解方法采用SIMPLE算法，其中动量方程采用二阶迎风格式进行离散、能量方程、k－ε方程采用一阶迎风格式进行离散，有助于求解的稳定性，并减少伪扩散。松弛因子采用默认设置。同时对排烟温度以及水的出口温度进行监测，即监视每一步迭代过程的排烟温度以及水的出口温度，观察换热器的换热情况。当烟气出口和水出口温度趋于稳定且达到收敛准则时，即认为收敛，最后可得到翅片管式换热器内部温度场、速度场。

5 模拟结果

翅片管式的对流换热问题中，管束排列一般有顺排和叉排两种方式。顺排和叉排分别有不同的流动特征，主要是叉排管束所组成的管束烟气在流道内弯曲流动，所走路径更长，并且管外流体在流经叉排管束时比流经顺排管束时扰动更为剧烈，换热也更强。

5.1 螺纹管对换热过程影响

通过对含有0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片异形翅片的有螺纹和无螺纹管段换热器进行数值模拟，模拟数据结果见表2。对温度场分析可知，有螺纹的换热器水温度上升的速度较快，但是最后水出口的温度相差不大。因此螺纹管对增强换热的效果较差，并且有螺纹管段边界的扰流要大于无螺纹的管段，但是由于螺纹的当量直径太小对增强换热的效果不够明显，只是具有减少换热过程中的气蚀的作用。

表2 异形翅片有螺纹和无螺纹管段换热器数值模拟结果

5.2 含有36片异形翅片与平面翅片且有螺纹的换热管的换热情况对比

对含有36片异形翅片与平面翅片且有螺纹的换热管的换热器进行数值模拟，异形翅片与平面翅片模型见图4。

图4 异形翅片与平面翅片模型

含有36片异形翅片与平面翅片且有螺纹的换热管的换热器模拟所得数据见表3，模拟结果显示异形翅片的温度分布要比平面翅片的温度分布更加均匀。

表3 含有36片翅片有螺纹换热管的换热器模拟数据

5.3 含有不数目异形翅片且有螺纹换热管的对换热过程影响

对含有不数目异形翅片且有螺纹换热管的换热器进行数值模拟所得数据分析可知，随着换热器中翅片数目的增多，水温度上升和烟气温度下降趋于缓慢，但是在翅片数目从无到有过程中，出口水的温度上升最快。数据见表4。

表4 异形翅片有螺纹换热管的换热器模拟数据

6 模拟结果分析

6.1 分析模拟数据所得结论

(1)中间位置翅片上的温度要大于两端位置的翅片温度。

(2)对比异形翅片和平面翅片发现平面翅片在直角处温度较高，但是内部温度较低，而异形翅片温度分布比较均匀。

(3)不同数目异形翅片的换热器与其模拟所得到水出口温度和烟气出口温度的结果分别见图5，图6。

图5 翅片数目与出水温度的拟合关系

翅片数目与水出口温度的拟合关系：

翅片数目与烟气出口温度的拟合关系：

上面两图中各自的拟合关系说明，随着换热管上翅片数目的增加，出水温度上升和烟气出口温度下降均趋于缓慢。

6.2 燃气热水器实验验证

通过实验测得数据与上述数值模拟所得数据进行对见表5，并计算两种数据之间的误差，一方面可以验证数值模拟的准确度，另一方面也可以为换热器的改造提供一些可行性的建议。

表5 换热器模拟数据与实验数据对比

7 结语

本文对浓淡燃烧燃气热水器中的翅片管式换热器进行数值模拟，主要考虑换热器中换热管上的螺纹，翅片的类型以及翅片的目这样的结构参数对换热性能有很大影响。模拟结果显示螺纹对提高换热器的效率影响较小，但是螺纹管具有降噪的功能，可以增强换热管内水的扰动，降低换热过程中的气蚀影响；异形翅片的吸热效果要明显优于平面翅片，异形翅片在换热过程中整体温度分布比较均匀，不会出现温度过高的区域，一方面可以更好地吸收烟气中的热量，另一方面更能延长其使用的寿命；翅片的数目对换热效果的影响最为明显，在翅片数目逐渐增加的过程中，温度上升逐渐变缓，也就是换热效率提升逐渐减少，为了减少产品的重量和产品的投资，需要根据产品的形状和大小合理布置翅片的厚度、翅片的高度以及翅片的间距，在最大化提高产品效率的同时，降低产品的初投资。

Numerical Simulation Study on Fin Heat Exchanger of Rich and Lean Combustion Gas Water Heater Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Gao Zhaobao Zhou Weiguo Luo Yang

The numerical simulation method is used to study the finned heat exchanger with rich and lean combustion gas water heater. On the basis of the rational simplification of the finned heat exchanger, the effects of internal threads, the form of fins and the number of fins on fluid flow and heat transfer in heat exchangers are studied respectively, and the simulation results are compared with experimental datum to verify the accuracy of the simulation results. The results show that the heat transfer tube with thread has little influence on the outlet temperature of water; the heat transfer effect of the special-shaped fin is better than the heat transfer effect of the plane fin; the outlet temperature of water in the heater increases logarithmically with the number of fins.

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