翅片管氟塑料换热器的流动传热特性

胡自成，陈开楠，殷地喜，蔡川川，葛凤华

(1.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212013；2.无锡同方人工环境有限公司，江苏 无锡 214101；3.沃斯坦热力技术(北京)有限公司，北京 100125)

由于与金属换热器相比，氟塑料换热器具有优异的耐腐蚀和抗结垢性能，因而其在化工、电力和制冷等领域的腐蚀环境余热回收中日益受到重视[1-2].但是，氟塑料存在导热系数低、膨胀系数大和机械强度差等不足[3]，因此如何优化氟塑料换热器的流动传热性能和机械性能成为目前的研究热点.在氟塑料换热器应用方面，S.L.GMEZ ALEZ等[4]指出，当存在腐蚀性热源介质时，和金属换热器相比，氟塑料换热器的优势明显.WEN Z.W.等[5]设计了氟塑料换热器，并进行了模拟，表明氟塑料换热器可实现烟气余热高效回收.XIONG Y.Y.等[6]通过采用氟塑料换热器回收低品位热湿烟气的潜热试验，发现氟塑料换热器不仅能克服传统金属换热器易腐蚀的缺点，而且能高效回收潜热，烟气温度低于其酸露点时回收潜热的优势更为明显.SONG S.S.等[7]研究了聚偏氟乙烯中空纤维换热器的性能，发现其具有高效、紧凑、耐腐蚀和抗污染等优良性能，非常适合于海水淡化领域.在氟塑料换热器结构方面，段俊阳[8]模拟研究了管束布置方式、管间距、管排数对流动传热的影响，认为采用叉排布置、管排数为5排时结构较佳.赵国春[9]通过试验与模拟的方法，研究了管束布置、管间距对氟塑料换热器换热性能的影响，发现管束采用叉排布置、管间距为8.5 mm时换热器的性能最佳.梁江涛[10]通过试验与模拟的方法，研究了翅片式氟塑料换热器的换热性能，发现管横向间距为5 mm时流动换热综合性能最优，但未提及翅片与氟塑料管的接触热阻.在氟塑料换热器的氟塑料导热系数方面，JIN Z.L.等[11]研究了石墨和碳纤维填充对氟塑料复合材料导热性能的影响，发现石墨和碳纤维最佳体积分数分别为17.76%和10.00%，氟塑料复合材料导热系数由0.210 W·(m·K)-1提升至1.353 W·(m·K)-1.

可见，有关氟塑料换热器的应用领域拓展、管束结构参数优化、材料导热系数提升等的研究较多，对于翅片管氟塑料换热器，尤其是氟塑料复合材料换热器的流动换热性能方面研究不足.笔者拟定量比较典型金属换热器与氟塑料换热器的热阻占比，获得氟塑料换热器传热强化方向，提出一种降低氟塑料翅片与氟塑料管接触热阻的方法，并对翅片管普通氟塑料和石墨烯氟塑料复合材料换热器的流动传热进行模拟研究，分析翅片结构、氟塑料管间距和氟塑料材质种类等参数对翅片管氟塑料换热器流动传热性能的影响，以期为氟塑料换热器的工程应用提供理论支撑.

1 热阻比较

以管外侧面积为基准，光管间壁式换热器的总热阻Rt计算公式[12]为

(1)

式中：下标i和o分别代表管内侧和管外侧；h为对流换热系数，W·(m2·K)-1；r为污垢热阻，K·m2·W-1；d为换热管管径，mm；λ为换热管导热系数，W·(m·K)-1；l为管长，m.其中管外空气侧和管内水侧的平均对流换热系数hav依据努塞尔数计算得到[12]：

(2)

(3)

空气侧和水侧定性尺寸分别为管外径和管内径，二者定性温度分别为空气侧和水侧进出口平均温度，管壁侧定性温度近似为流体进出口平均温度.计算式应用范围如下：Rea=1×103～2×105，Pra=0.6～500.0；Rew=2.3×103～1.0×106，Prw=0.6～1.0×105，Prw/Prw,b=0.05～20.00.换热器热阻计算中，空气侧迎面风速ua和水侧水速uw分别为3～10 m·s-1和0.3～1.0 m·s-1，ri和ro分别为1.7×10-4和3.5×10-4m2·K·W-1[12]，氟塑料和不锈钢的λ分别为0.22和16.30 W·(m·K)-1[13].

图1为氟塑料换热器的分热阻值R及其占比与风速的关系曲线.经校核，计算工况内空气侧和水侧参数均满足计算模型应用范围.值得说明的是，式(2)中空气侧Rea计算时采用最小截面风速；考虑到式(2)适用于金属换热器，对氟塑料换热器空气侧换热系数的计算值进行了修正，修正系数为0.74[14].

图1 氟塑料换热器分热阻值及其占比与风速关系曲线

图2对比了典型工况下氟塑料换热器和金属换热器的热阻对比.由图1和2可以看出：与金属换热器类似，氟塑料换热器管外空气侧热阻为主要热阻；当ua=3～10 m·s-1时，空气侧热阻占比为55.0%～72.0%，平均占比超过60.0%；水侧热阻和污垢热阻占比都很小，二者占比范围皆为3.5%～7.0%.和金属换热器管壁热阻可忽略的结论不同，氟塑料换热器管壁热阻占比较大.当ua为3～10 m·s-1时，氟塑料换热器管壁热阻占比为24.0%～40.0%，平均占比超过30.0%.由此可见，金属换热器需强化管外空气侧换热，氟塑料换热器则需同时强化管外空气侧换热和减小管壁导热热阻才能获得更佳换热性能.

图2 氟塑料换热器与金属换热器热阻对比

2 换热器流动传热性能模拟

由热阻分析可知，氟塑料换热器换热性能的提升需要从减小管外空气侧换热热阻和管壁导热热阻两方面着手.本节采用石墨烯氟塑料管和串片式氟塑料翅片，期望分别降低管壁导热热阻和管外空气侧换热热阻.

调研发现，翅片管氟塑料换热器很少被应用于工程中，主要是由于翅片固定困难及翅片与管间接触热阻高.为此，笔者提出一种氟塑料翅片固定和降低翅片与管间接触热阻的方法.图3为氟塑料翅片与管紧密固定连接示意图.

图3 氟塑料翅片与管紧密固定连接示意图

由图3可知：在翅片上冲压一定数量的支撑杆孔，相邻两个翅片之间设置固定圈，固定圈长度与翅片间距相等，固定圈套在支撑杆上，支撑杆两端固定在换热器端板上，从而实现翅片固定；翅片上换热管的管孔内圈为通孔，管孔外圈直径为换热管外径，管孔内外圈间的氟塑料冲压出压痕，根据经验和经济性决定内圈直径、压痕数量、压痕深度和压痕长度；换热管外壁与翅片接触处加工卡槽，卡槽深度与翅片上管孔内外圈半径差值相当，宽度与翅片厚度相当；当换热管穿过管孔时，氟塑料从压痕处撑开后嵌入换热管卡槽内，从而使翅片与换热管紧密接触，降低接触热阻.

2.1 物理模型、计算区域及边界条件

模拟研究中翅片管氟塑料换热器模型如图4所示.管束布置为叉排.氟塑料换热器物理参数如下：管内径di和外径do分别为4 mm和6 mm，管纵向间距S1和横向间距S2分别为12～20 mm和10～14 mm；翅片间距Sf和翅片厚度δf分别为5～9 mm和0.8～1.2 mm.认为翅片与换热管紧密接触，忽略接触热阻.

图4 翅片管氟塑料换热器模型示意图

考虑到换热器结构的对称性与周期性，确定的计算区域和边界条件如图5所示.

图5 计算区域及边界条件示意图

图5中，计算区域包括翅片侧固体域和空气侧流体域，流体域空气物性参数根据空气进出口平均温度确定，固体域材料参数根据材质确定.试验工况参数如下：普通氟塑料导热系数为0.220 0 W·(m·K)-1，石墨烯氟塑料导热系数为0.365 5 W·(m·K)-1(石墨烯质量分数约为1.4%)[15]；边界条件中，流道进口采用速度入口，空气迎面风速ua为3～10 m·s-1，进口温度为343.00 K，流道出口为压力出口，翅片和流体区域的交界面为耦合传热面，假定管内壁温为恒壁温(323.15 K)；上下表面为周期性边界条件.考虑到计算区域为充分发展和避免出口段发生回流现象，对模型空气入口段和出口段长度分别延伸了30 mm和100 mm.

2.2 计算方法及数据处理

模拟所用模型为三维、常物性、不可压缩、稳态模型，具体参数参见文献[10].通过ICEM对计算区域网格进行划分，六面体结构化网格和非结构化网格相结合，对塑料管与翅片接触附近区域进行网格加密处理，采用Merge方式进行网格组合.控制整个计算区域的网格质量不低于0.3，经过网格无关性检验，确定网格数量为60～70万个.为保证计算精度和收敛稳定性，采用分离求解器，湍流模型选择标准k-ε方程模型，压力和速度的耦合采用Simplec算法，压力离散方式采用二阶离散，能量和动量离散方式均采用二阶迎风格式.

通过Fluent对不同工况参数下氟塑料换热器流动传热特性进行计算，由以下公式对数据进行处理：

(4)

(5)

(6)

(7)

Δp=pin-pout，

(8)

式中：ρ为空气密度，kg·m-3；uc为最小截面风速，m·s-1；Dp为翅片当量直径，m；μ为空气动力黏度，Pa·s；ΔTm为对数平均温差，K；Tw为壁面温度，K；Tin、Tout分别为空气进、出口温度，K；ho为空气侧传热系数，W·(m2·K)-1；qm为空气质量流量，kg·s-1；cp为空气定压比热容，J·(kg·K)-1；Ao为空气侧换热面积，m2；λ为空气导热系数，W·(m·K)-1；pin、pout分别为空气进、出口压力，Pa；Δp为压降，Pa.

3 模拟结果分析

描述翅片管氟塑料换热器的流动换热关联式缺乏，通用性和精准性都较好的流动换热器关联式更少.为此，笔者首先按照金属换热器进行模拟，将模拟结果与文献[13]中的流动换热关联式计算结果进行比较.计算工况范围内，Nu值和压降的绝对相对误差范围分别为6.4%～17.0%和2.5%～16.0%，模拟结果与关联式吻合较好，说明所建模型的可靠性和精确性较好.

3.1 翅片参数对传热及阻力的影响

图6为δf=1.0 mm，S1=20 mm，S2=10 mm时，不同翅片间距下Nu值和压降随迎面风速变化的曲线.图7为Sf=5 mm，S1=20 mm，S2=10 mm时，不同翅片厚度下Nu值和压降随迎面风速变化的曲线.

图6 不同翅片间距下Nu和压降随风速变化曲线

图7 不同翅片厚度下Nu和压降随风速变化曲线

由图6可知：翅片间距一定时，压降随着迎面风速增大而增大；相同迎面风速下，随着翅片间距增大，Nu值增大而压降减小.由图7可知：翅片厚度一定时，Nu值和压降随着迎面风速增大而增大；相同迎面风速下，随着翅片厚度增大，Nu值和压降均略微增大.可见，翅片间距对Nu值和压降的影响较大，而翅片厚度对Nu值和压降的影响较小.这是因为翅片厚度的变化对迎面风速和流通截面影响不大，翅片热阻也增加不大，从而对Nu值和压降的影响较小；翅片间距增加时，相同迎面风速下翅片间风量和流通截面加大，从而导致Nu值增大，而压降减小.

3.2 管间距对传热及阻力的影响

图8为Sf=5 mm，δf=1.0 mm，S2=10 mm时，不同管纵向间距下Nu值和压降随迎面风速变化的曲线.图9为Sf=5 mm，δf=1.0 mm，S1=20 mm时，不同管横向间距下Nu值和压降随迎面风速变化的曲线.由图8可知：相同纵向间距下，Nu值和压降均随迎面风速的增大而增大；相同迎面风速下，纵向间距增大，Nu增大，压降减小.

图8 不同管纵向间距下Nu和压降随风速变化曲线

图9 不同管横向间距下Nu和压降随风速变化曲线

由图9可知：相同横向间距下，Nu值和压降均随迎面风速的增大而增大；相同迎面风速下，横向间距增大，Nu减小，压降基本不变.分析认为：随纵向间距增大，空气侧换热面积、风量和空气流通空间增加，使得Nu增大而压降减小；随横向间距增大，相同迎面风速下翅片间空气流通空间加大，但风量不变，气流扰动减弱，导致Nu减小，而压降变化很小.

根据文献[16]，从相同输送功率下传递热量的观点中引入综合性能系数，以管纵向间距20 mm、横向间距10 mm、翅片间距5 mm和翅片厚度1.0 mm作为基准条件，进行计算.计算后发现，本试验工况下，翅片间距为9 mm，翅片厚度为1.2 mm，管横向间距为10 mm，纵向间距为20 mm时，翅片管氟塑料换热器的综合性能最好.

3.3 传热性能对比

为比较不同类型氟塑料换热器传热性能，模拟光管普通氟塑料换热器、翅片管普通氟塑料换热器和翅片管石墨烯氟塑料换热器(石墨烯质量分数为1.4%)在相同工况下的传热过程，计算得到3种氟塑料换热器的总传热系数.图10为Sf=9 mm，δf=1.2 mm，S1=20 mm，S2=10 mm时，不同类型氟塑料换热器总传热系数对比曲线，其中K为总传热系数.

图10 不同类型氟塑料换热器总传热系数对比曲线

由图10可知，与光管普通氟塑料换热器相比，计算工况下，翅片管普通氟塑料换热器的总传热系数提升了2.5%～21.0%，翅片管石墨烯氟塑料换热器的总传热系数提升了16.0%～55.0%.说明强化管外空气侧的对流换热和降低管壁导热热阻可有效提升氟塑料换热器的换热性能.

4 结 论

1)本试验计算条件下，氟塑料换热器管外空气侧换热热阻和管壁导热热阻平均占比分别大于60%和30%.相同计算工况下，与光管普通氟塑料换热器相比，翅片管普通氟塑料换热器和翅片管石墨烯氟塑料换热器(石墨烯质量分数为1.4%)的总传热系数分别提升了2.5%～21.0%和16.0%～55.0%.因此，要想提升氟塑料换热器换热性能，应该同时考虑强化管外空气侧对流换热和降低管壁导热热阻.

2)翅片厚度、翅片间距和管间距对翅片管氟塑料换热器流动传热性能影响规律不同，模拟工况范围内，Nu和压降受翅片厚度的影响可以忽略；Nu随翅片间距和管纵向间距的增大而增大，压降则相反；Nu随管横向间距的增大而减小，压降则增大.

3)本试验模拟条件下，翅片间距、翅片厚度、管横向间距与纵向间距分别为9、1.2、10和20 mm时，翅片管氟塑料换热器的综合性能最好.