单排翅片构造中换热器的解析

　　电厂常采用空冷凝汽器有单排管、双排管和三排管等形式，目前大容量直接空冷机组凝汽器多采用单排翅片扁平管束结构，其主要优点为：换热面积利用率高、流动阻力小、冬季防冻性能好、易于清洗、造价低、重量轻。本文建立了单排蛇形翅片扁平管束的物理模型并进行适当简化，采用计算流体力学方法对单排扁平管管外侧的流动与换热随换热器进口风速和气温的变化规律进行研究，为空冷凝汽器的优化设计提供参考。

　　对于这种扁平管管翅式换热器，由于管子和翅片的对称性，取如所示的结构作为计算单元。为了在进口处采用速度均匀的条件和避免出口有回流现象，分别向上游延长25mm，向下游延长165mm。扁平翅片管模型网格划分应用ICEMCFD软件划分网格，用分块方法生成结构化网格。由于模型结构相对简单，全部采用六面体网格划分，网格总单元数为600498个，网格分布如所示。

　　整体网格分布边界条件根据说明边界条件，模型前后两侧均为对称性边界；扁管内为相变换热壁面，可设为恒壁温边界，温度为378K；模型顶部截面均为绝热边界条件；对于翅片壁面和扁平管气侧壁面，由于其和流体是气固耦合，在ICEMCFD软件中属于内部面，在导入FLUENT软件后自动生成耦合边界进行计算；进口为速度进口，温度为302K；出口为自由出流边界。

　　为了便于观察翅片上的温度分布，选z轴中心截面的温度分布云图进行分析，如所示。由图可知，随着迎面风速的增大，进口的空气流量增大，对流换热效果增强，故整个翅片区和出口延长区的空气温度降低。随着离开基管的距离增加，翅片表面温度逐渐降低。在扁管的上风侧，温度变化较大；在扁管的背风侧，由于涡流的存在，使得翅片管尾部的空气冷却效果较差。同时，由于翅片温度本身高于周围空气的温度，翅片前后的温度分布存在突变。

　　根据上述扁平管翅管式换热器模型流场和温度场的模拟结果，整理出整体的出口截面上空气的平均温度分离后的空气侧换热系数以及整个流动中的压降随风速的变化规律，随着流速的增加，空气流量也不断增加，进而出口截面上的空气温度不断降低；空气侧的换热系数随风速的增加逐渐提高，但空气侧压降的增加更为剧烈。

　　在同一迎风速度下，进风温度越高，单元换热量越小，继而整个空冷岛的效率也越低；随着迎风速度的增大，在同一进风温度下，单元换热量越高，空冷岛的效率也随之升高，但同时的耗电量也增大，所以需要综合考虑各方面的因素，选取合适的迎风速度。由于空冷系统都有自己的设计气温，在非设计气温下，必须在空冷系统的运行上进行必要的调节，以保证空冷系统安全有效地运行。比如冬季降低风机流量，或在允许的情况下增加空冷岛的热负荷，做好防冻措施；而夏季则应适当地降负荷运行或适当增大风机流量。

　　结论通过分析翅片通道内的温度场和速度场分布发现，在换热器出口处有回流，形成一大的漩涡，直接空冷凝汽器翅片散热器流动传热特性得翅片管尾部的空气冷却效果较差。根据不同风速下的排扁管翅片单元空气侧换热系数以及整个流动中的压降随风速的变化规律，发现随着迎面风速的增大，表面换热系数和压降均有显著增加。环境温度的变化对空冷单元的散热量影响较大，应该根据季节的变化进行负荷的调整。