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对于燃气热水器，换热器管子外侧流动的是高温烟气，内侧流动的是冷水。试验表明，烟气侧的热阻明显高于水侧的热阻，因此通常在管子表面设置翅片增加换热面积，以提高换热效率。目前，常用的翅片管束主要分为3类：单管外翅片管束，单根圆管外侧加装翅片所构成的翅片管束；连续翅片管束，在整块薄金属板（翅片）上，按管子排列形式（顺排、叉排）冲孔，然后用专用设备将冲孔后的金属薄板逐片套在圆管上，再采用胀管或钎接方法连接；管带式翅片管束，由波带形翅片与扁管相间叠合而成，即在一条波形带状翅片的脊背上，沿垂直于气流方向，贴置若干根扁管，翅片与扁管采用钎接方法连接。本文选取连续翅片管束，采用CFD软件，在管子内流体为定温度条件下，对非翅片表面烟气流道内烟气、翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。
1 模拟方法
1.1 控制方程与数学模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物质量守恒方程、组分质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，由于换热管外烟气中水分未发生凝结，烟气组成不会发生变化，因此不需考虑组分质量守恒方程。
1.2 物理模型
燃烧产生的高温烟气向上冲刷翅片管束，通过对流传热将热量传递给管子内的冷水。对非翅片表面烟气流道内烟气与翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。考虑到计算的时间与成本，数值模拟只针对单个连续翅片进行研究，计算区域宽×高×厚为126.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直径为14.5 mm，翅片厚度为0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有冲孔。采用Cero软件（三维设计制图软件）建立物理模型（见图1），并采用Gambit软件对物理模型进行网格划分，网格生成后，用网格检查器检查网格的质量，划分网格后的物理模型见图2，网格数量为719 625 个
1.3 边界条件
①入口边界条件
入口为速度边界，在FLUENT软件中定义速度边界的方法有3种：种是将速度视为速率的值与一个单位方向矢量的乘积，然后通过定义速率的值和方向矢量分量来定义速度边界；第二种是将速度视为3个坐标方向上的分量的矢量和，然后通过分别给定3个分量大小来定义速度边界；第三种是设定速度垂直于边界面，然后给定速率的值就可以定义速度边界。
由于烟气流动方向与物理模型底面垂直，因此采用第三种定义速度边界的方法。烟气的进口速度为4.215 m/s，温度为1 250 K，湍流强度为3%，烟气的组成见表1。
②出口边界条件
出口边界条件为压力边界条件，出口压力（表压）设置为0。物理模型出口湍流强度为3%。
③壁面热边界条件
物理模型外壁面选用对称壁面边界条件，无热流，无气流，管子内壁面选用流固耦合热边界条件。
④管内流体条件
管内流体温度设定为350 K。
2 数值模拟结果及分析
2.1 烟气温度分布
非翅片表面烟气流道内烟气温度分布见图3，翅片表面烟气温度分布见图4。由图3可知，非翅片表面烟气流道底部烟气温度为1 250 K，烟气流过管子时温度下降，出口烟气温度分布比较均匀，分布范围为500~750 K。由图4可知，翅片表面烟气温度分布基本对称，管子周围的烟气温度低（为505 K），翅片边缘的烟气温度高（为590 K）。由图3、4可知，在管子错排布置条件下，烟气与管子能够实现较好的换热。烟气流道出口处烟气温度的分布比较均匀，对后续的烟气处理也非常有利。文献［3］的研究表明，与顺排布置相比，管子错排布置可大幅改善烟气与管子传热条件下的流动工况，增强了换热效果。由此可知，模拟结果与文献［3］的研究结果基本一致。2.2 烟气速度分布非翅片表面烟气流道内烟气速度分布见图5。文献［4-5］研究表明，对于平翅片管束，当烟气绕过管子流动时，管子表面附近易形成很薄的边界层旋涡区，流动到管子后部表面分离，伴随旋涡从管子表面脱落，并在烟气出口区域形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。尾流区内烟气的循环流动使得管子周围烟气温度下降速率减缓，此外随着烟气沿平翅片表面的平直通道向前流动，边界层由于无附加扰动而逐渐增厚，使得局部换热系数沿程降低。为改善上述问题，可通过在管子上方的翅片冲孔［1］47，破坏尾流区形成的边界层，从而改善平翅片管束的换热环境，还可降低翅片用料。由图5可知，管子后部并未形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。
在翅片管和热管设计的时候，一般翅片管侧的换热和流动是被关注的重点，甚至传热系数的计算和取值也主要依赖于翅片侧的换热。这容易造成一种错觉：管内的流动和换热似乎是不怎么重要了，似乎在设计中可以不用考虑了。
事实上，这是不对的。我们既要考虑管内的流动和换热，还要保证管内的流体具有足够高的换热系数和合理的流动条件。我们要从如下问题来考虑。
一、翅片管的放置形式
是立放，横向，还是倾斜放置。如下图所示，因为只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情况下管内的相变过程。
二、管内流体管程的考虑
对单相流体（如水），一般应保证管内平均流速在1m/s左右，要通过合理的管程布置来调节管内的流速，所谓管程是指管内流体在换热器中走几个来回，管程数目越多，则每个管程“分摊”的管子数目越少，则管内流速就越高。如上面的附图所示，从水入口到水出口，水在管内走了六个来回，即管程数目为6。
每一个管程对应一排翅片管。对于管内流量特别小的场合，甚至可以做到每1支管或两支管作为一个管程；对于管内流量特别巨大的场合，可以选择1排或几排管作为一个管程。应当注意，对于管内为相变换热（蒸发或凝结）的场合，一般只取一个管程就可以了。
三、关于翅片管束的分组处理
关于翅片管束的分组处理，我们需要多方考虑。
分组布置的好处在于：
* 可使箱体分段加工，便于安装和运输；
* 可以安装吹灰孔和吹灰器；* 便于管束的检修和更换；
例如：若后几排管有露点腐蚀的风险，则应将其单独设为一组，便于拆检和更换。
如果在烟气的流动方向上，我们就该这样来进行设计处理，如下图所示：
四、小结
作为阶段小结，下面提出设计的几点经验，供参考：
（1）翅片管换热器和其他型式的换热器一样，设计的成功与否，50%（甚至更高）取决于经验，而经验是在工程项目设计实践中获得的。如果参与了10项以上的工程设计，算作稍有经验；参与了20项以上的工程设计，可称作比较有经验，而如果参与过30项以上的设计，则可认为是相当有经验了。
（2）成功的经验和不怎么成功的经验同等重要，若发现设备运行后，实测热负荷远远偏离设计值，就算不怎么成功，要分析原因；若发现翅片管管子的积灰，腐蚀严重，或出现其他没有预料到的情况，虽然能运行，也算不怎么成功，也应从设计上找原因；若出现问题，则属于失败的设计，因为“”具有一票否决权，更要仔细地调查分析发生的原因。
（3）为了做到设计的成功，或不出现大的失误，重要的莫过于设计前的现场调查和取证。尤其是翅片管多作为余热回收设备应用，是在主设备上“附加”的节能设备，所以，地掌握主设备的运行情况和现场的环境是至关重要的。
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