【HETA】间接空气冷凝扩展表面换热器结构优化
在空冷换热器中，空气侧的换热系数比管内流体的换热系数低，对换热器翅片进行开缝就是一种强化空气侧传热的有效方法，但开缝翅片自身结构变对其表面特性有什么影响呢？这是我们今天要探讨的话题。
本文以间冷系统桥型开缝铝翅片为对象，通过改变管径大小，翅片板厚度，单双面开桥三种不同的自身结构，利用计算流体动力学软件进行数值模拟，分析了管外空气侧流动特性，进而得出迎面风速与换热及阻力特性的分布规律，为空冷散热器选型以及间接空冷系统的设计和运行提供参考。
本文研究对象是矩形开槽套片式铝翅片管束，即在平直翅片表面制出许多桥形槽缝，结构示意及单、双桥俯视图如图1所示。矩形开槽套片式铝翅片3种结构尺寸分别如表1所示。
2.1 网格划分
由于翅片开缝比较复杂，采用分块划分、局部细化等方法，在进出口区域，基管处存在弯曲程度较大的部分，采用适应性较好的非结构网格进行划分，而在空气流经翅片的区域采用结构化网格进行划分，在管壁面及翅片表面附近采用边界层网格划分，网格较为密集；远离壁面及翅片面的流体区域，则采用较为稀疏的网格，以达到节省计算时间，提高计算精度的目的。通过对翅片段非结构化网格不断加密，检验计算结果的网格无关性。
翅片管束采用叉排布置，考虑其结构的对称性，在空气流动方向为四排管，计算区域取周期性通道。为防止人口段影响以及避免出口边界有回流现象，将计算区域在入口边界和出口边界处进行适当的延长。
2.2 边界条件
入口设置为速度进口，在整个截面上来流空气的速度均匀分布，温度均匀分布，来流空气温度为15～35℃；出口边界没有回流发生，设为压力出口条件；翅片采用自身导热和表面对流换热的耦合方式；由于管内流体温升较小，因此，将圆管内壁面设为等温条件，壁面速度为0；其余表面均设置为对称边界。
2.3 数学模型和数据处理
对模型计算做如下假设：
(1)入口处空气速度、温度均匀分布，流动与换热的过程是稳态的；
(2)空气流动满足Boussinesq假设；
(3)不考虑圆基管与翅片的辐射换热，忽略基管与翅片之问的接触热阻，认为翅片根部温度与管外壁面温度相同；
(4)在不同温度下，空气密度不同，但就某一个计算工况而言，可以假定空气密度不变，认为空气是不可压缩气体，空气的比热容为定值；
(5)翅片材料的导热系数为常数。
铝翅片管束以肋壁侧面积为基准的传热系数由下式计算：
其中，为肋化系数，为管外换热面积，
h。为管内表面的对流换热系数；
h：为管外表面的对流换热系数；
d为管的当量直径；
6为管壁厚度。
3.1 翅片管换热器结构传热系数和阻力与空气速度之间关系
翅片管换热器结构1传热系数和阻力与空气速度之间关系对于换热器结构1模型的传热系数与雷诺数的关系汇总如表2所示。
从表2可以看出，采用大管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系数相对变化为一5.775×10-4～1.444×10-5，采用小管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系数的相对变化为1.567×10-5 ～9.922×10-5，采用单桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.431％～1.452％，采用双桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.373％～1.431％。
对于换热器结构1模型的空气侧阻力与雷诺数的关系汇总如表3所示。
从表3可以看出，采用大管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对增大1.377％～3.045％，采用小管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对增大0.02245％～4.309％，采用单桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大1.719％～4.231％，采用双桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大2.934％～3.032％。
3.2 翅片管换热器结构传热系数和阻力与雷诺数(空气速度)之间关系
翅片管换热器结构2传热系数和阻力与雷诺数(空气速度)之间关系对于换热器结构2模型的传热系数与雷诺数的关系汇总如表4所示。
表4可以看出，采用大管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系 数相对变化为5.051x 10-6～2.1 89 x 10-5，采用小管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系数相对变化为一6.695 x 10-6～一5.021 x 10-6 ，采用单桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.434％～1.451％，采用双桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.430％～1.433％。对于换热器结构2模型的空气侧阻力与雷诺数的关系汇总如表5所示。
从表5可以看出，采用大管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对增大3.746％一5.703％，采用小管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对增大0.894％～4.839％，采用单桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大3.001％～3.172％，采用双桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大2.170％一7.415％。
3.3 翅片管换热器结构换热系数和阻力与雷诺数(空气速度)之间关系
翅片管换热器结构3换热系数和阻力与雷诺数(空气速度)之间关系对于换热器结构3模型的传热系数与雷诺数的关系汇总如表6所示。
从表6可以看出，采用大管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系数相对变化为一2.977 x10-4 ～1.813×10-3，采用小管径时，翅片双桥的传热系数比单桥的传热系数相对变化为一3.193×10-4 ～0，采用单桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.227％～2.456％，采用双桥时，大管径的传热系数比小管径的传热系数相对增大1.321％～2.643％。对于换热器结构3模型的空气侧阻力与雷诺数的关系汇总如表7所示。
从表7可以看出，采用大管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对变化为一4.462％～一0.8542％，采用小管径时，双桥翅片管的阻力比单桥的阻力相对变化为一2.057％～2.387％，采用单桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大6.069％～8.664％，采用双桥时，大管径的阻力比小管径的阻力相对增大2.116％～7.208％。
本文从翅片换热特性和阻力特性两个方面通过改变管径大小，翅片板厚度，单双面开桥三种不同的自身结构铝翅分析比较发现：
(1)当管径相同时，单桥翅片管与双桥翅片管的换热面积基本相同，传热系数基本相同(小于0.2％)，双桥的阻力比单桥的阻力略大(小于6％ )。
(2)采用单桥翅片管时，大管的传热系数比小管的传热系数略大(小于3％)，阻力也相应增大(9％)
(3)采用双桥翅片管时，大管的传热系数比小管的传热系数略大(小于3％)，阻力也相应增大(小于8％)。
(4)翅片从0.3减为0.27时，传热系数基本相同(小于0.3％)，阻力减小8％～19％。
(5)综上所述，双桥与单桥结构传热系数基本相同，而阻力有所增大；大管时传热系数变化小于5％，而阻力增大接近10％；翅片减薄时，传热系数不变，而阻力减小明显。
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