文 献 综 述

一、课题背景

节能是继煤炭、天然气及石油、水电、核能之后的又一重要能源，且节能作为一种清洁能源，对缓解工业发展带来的环境污染问题，更有着不可磨灭的功绩[1]。水资源短缺是当今世界性的问题，而我国被列入全球13个人均水资源贫乏的国家之一，缺水形势更为严峻。为了国民经济长远、健康及可持续发展，节水工作越来越显示出其重要性和迫切性。火力发电作为我国主要的电能生产方式，其生产过程中要消耗大量的水资源[2]。有效地减少火力发电过程的耗水量对国民经济的整体布局及发展和有效利用水资源均具有重大意义。而冷却过程中通过蒸发散热损失掉的水量是冷却塔水损失的重要组成部分，也是火电厂最大的耗水项目。蒸发水损失的产生不仅会给火电厂造成很大的经济损失，同时由于蒸发水损失会在塔顶形成”白烟”而污染周围环境。据研究表明，冷却塔蒸发水损失随进塔水温的升高呈明显线性增加趋势[3]。此处涉及的进塔水温就可以通过翅片管来做进一步出理。

二、翅片管的研究进展

翅片管是组成翅片管热交换器的核心元件，其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能[4]。至今已有许多国内外人士对翅片做过大量研究分析，对翅片的发展做出了一定的贡献。首先是换热器翅片管材料的选择，应根据换热器的用途和操作等条件不同而选择，蒋翔[5]在此方面做了相应的研究，为翅片管换热器的应用方法提供了借鉴。

在翅片的形状方面就有过不少的研究，周启瑾[6]等对条形翅片管换热器做了相应的性能研究得出在相同迎面风速(w=1.8m/s)和片距下，条形翅片管换热器的传热系数比平翅片管换热器约高50%，但相应的流动阻力仅增加25-30%，故条形翅片管换热器不仅可以再相同的空气阻力下传过更多的热量，而且还可以大大的节约翅片材料。黄飞[7]等也对平片型平直翅片管散热器、螺旋形翅片圆管散热器与整体式梳状翅片管散热器在同一工况下的散热性能进行了比较而得出：3种散热器中整体式梳状翅片管散热器的传热系数最大，散热性能最好，螺旋形翅片圆管散热器的传热系数最小，散热性能较差。在螺旋翅片管方面，韩志航[8]得出：螺旋翅片管翅间固相颗粒的速度、浓度、粒径都存在着比较规律的分布，在不同温度下、不同翅片间距和翅片高度均对上述几个参数的分布规律产生一定的影响。这在研究进一步优化螺旋翅片管结构在工程实践中的应用提供了借鉴意义。在强化传热方面，陈道北[9]等结合长岭炼油化工厂重整装置热载体护开发了新型翅片管强化对流传，其采用环形套装翅片，每片开6道切缝，每道切缝处折转10度，经实际使用其传热系数为光管的6.5倍，使对流室热负荷提高了10%。在强化翅片传热方面，赵艳云[10]通过研究发现，翅片管换热器中，空气侧的热阻占了翅片管总热阻的60%-70%，再由传热强化原理，可知强化空气侧的换热是提高翅片管换热器的关键[11]。张利[12]等通过对椭圆形和圆形翅片热交换器数值模拟，得到翅片迎风侧的换热要优于背风侧；通过适当增加迎风侧翅片面积，减小背风侧翅片面积，可以再强化换热，同时减小流动阻力。

除了在改变翅片本身形状外，有相关人士也提出，在翅片上开孔也能改变传热性能。敬文娟[13]研究了一种水平矩形翅片开圆形孔时对自然对流换热的强化作用。通过实验比较了实心翅片和开不同孔数翅片的散热功率。除开孔数外，还考虑了翅片开孔的位置、开孔大小和开孔形状对传热强化的影响。结果表明：开孔翅片要优于实心翅片，并且随着翅片开孔数的增加，翅片的散热功率先增大后减小，当开孔数为7时最优，其散热功率与实心翅片相比，增加了13.25%。开孔的位置在底部时，翅片的散热效果最好，中间次之，顶部最差。同时在研究范围之内，翅片的散热功率随开孔半径的增大先增加后减小。开孔半径为7mm时，翅片的散热效果最好，与实心翅片相比，其散热功率增加了27.14%。此外，还比较了同等面积的三角孔、方孔和圆孔对翅片散热的影响，其中开圆孔的散热效果最好。除此之外，王厚华、方赵嵩[14]以矩形平翅片做比较对象，证明了三对称圆孔翅片管具有优越的强化传热效果，其平均传热系数最大提高了27.5%。对于实心的矩形翅片已有大量的实验和模拟研究，但大多都忽略了辐射对散热的影响。V Rammohan Rao和S P Venkateshan[15]通过实验方法研究了水平翅片阵列中自然对流和辐射的相互作用，最终处理分析表明有不同的参数影响自然对流和辐射换热，如翅片表面的辐射率、翅片间隙、高度和基底温度。Senol Bakaya[16]等对水平的翅片组中翅片间距、翅高、翅长以及翅片与周围环境的温差对自然对流的影响进行了系统性的理论研究。V Dharma、B Govinda Rao[17]等和王乐、吴珂[18]等在理论上研究了自然对流和辐射对水平矩形翅片的散热研究。在开孔翅片的研究当中，Abdullah H AlEssa与Mohamad I Al-Widyan[19]研究了三角形穿孔翅片对自然对流传热的强化作用。结果表明穿孔翅片在一定的区域内要优于实心翅片。M R Shaeri[20]等研究了侧面开正方形孔翅片的强制对流传热。结果表明，新型的开孔翅片具有更高的总传热量，并大量地减轻了翅片的重量，节省了材料。

三．数值模拟

随着科学技术的发展，计算机的应用越来越广泛，而许多科学研究仅仅依靠实验及理论计算已经满足不了要求，通过计算机软件强大的计算模拟处理功能，将会更简便、更快速、更直观地得到计算结果。因此，计算流体力学(CFD)软件成为工程设计和研究的重要工具之一，翅片方面的研究也应用到了CFD软件。在国内，沈佳敏[21]等采用FLUENT对空压机中间冷却器用开缝翅片和平直翅片的流动和传热进行了三维数值模拟。通过建立管翅结构的局部模型，利用标准-湍流方程，研究了温度、速度等在翅片附近的分布，并对比了平直翅片和开缝翅片的模拟结果。结果显示：开缝翅片对空气流动有较大扰动作用，在开缝结构附近出现了大量涡流，强化了空气和冷却水之间的传热过程。在同样条件下，开缝翅片空气侧换热系数比平直翅片大8%，而开缝翅片的压力降比平直翅片也相应增大。赵海波、吴坤[22]建立了一种新的翅片管换热器可用能仿真模型，用以模拟换热器内部的换热情况，给出了有向矩阵的构建方法，提出了列优先的换热器模型求解算法，并针对一翅片管蒸发器计算算例进行了可用能模型的应用计算，为换热器优化设计奠定了很好的基础。司子辉[23]等也利用FLUENT研究两种翅片（波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片）的表面流动性与传热性，研究结果表明：当气流速度不同时，波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%-28%，节约能耗，强化传热。任能谷波[24]同样利用FLUENT研究翅片管换热器的换热和压降特性，为换热器的结构优化和翅片的研究开发提供了依据。在国外方面，Sreedevi R K、VengadesanS[25]等通过FLUENT软件对三维数值模拟进行了探讨一个普通量的传热翅片和四个交错的布局和不同的翅片间距即25.4，12.7，6.35和4.23mm的圆形管行。Bhuiyan [26]利用ANASYS CFX 12.0对有4排平翅片管的换热器进行了数值模拟，研究其传热特性和流动特性。L. Sheik Ismail and R. Velraj [27]通过FLUENT软件模拟分析板翅式热交换器的摩擦形式和传热相关的波浪状板翅式换热器。

在CFD软件中也涵盖了Icepak软件，Icepak软件求解主要使用的是数值传热学中的有限容积法。数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程[28]。其有限容积法主要分为5个部分分别为：网格生成；对流项的离散化；边界条件的离散化；压力速度耦合；离散方程的求解[29]。朱江新[30]等结合ANASYS软件对翅片成形机理进行合理的分析、简化，建立了翅片切削-挤压整体成形工艺的有限元分析，得到了工件内部应力分布结果，给出了翅片是否脱落的判据，对实际生产过程中刀具结构和工艺参数设计具有重要意义。本课题也采用Icepak模拟分析单排开矩形孔椭圆翅片管的传热性能，从而达到有效降低冷水塔进水温度，来实现大量减少冷水消耗量的目的。