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房间空调换热器阻力对室内机风道系统的影响点击：2281 日期：[ 2014-04-26 21:14:07 ] |
| 房间空调换热器阻力对室内机风道系统的影响 华中科技大学 刘 起 陈焕新 陶红歌 华中科技大学 宁波奥克斯集团有限公司 程德威 宁波奥克斯集团有限公司 姜灿华 摘要：建立了由贯流风机和换热器组成的空调室内机的三维模型,并对换热器结构和布置方式相同而阻力损失系数不同的4种形式的模型进行了数值计算,根据计算结果分析了当换热器阻力改变时,室内机风道系统流场存在的差异以及流量的变化情况,探讨了换热器阻力对贯流风机吸入口侧的影响。 关键词：换热器 风道系统 数值模拟 阻力损失 0 引言 空调器中的冷凝器和蒸发器均称为换热器,其作用是实现两种不同温度流体间的热量交换[1]。换热器是空调室内机的重要组成部分,也是实现空调制冷制热的关键部件,换热器不同的空调室内机的性能有着很大的差别,因此,对换热器进行研究具有重要的意义。 最初人们对换热器的研究主要集中在换热器的换热性能上[2 4],之后许多研究人员针对换热器结构以及布置方式对室内机流场特性的影响作了相关研究[5 7]。对于换热器阻力对流经换热器气流的影响及气流的流动对贯流风机性能的影响,文献[8]作了研究。本文依据模拟计算结果,分析换热器阻力对室内机风道系统的影响,为进一步改善风道系统、提高空调舒适性、减少能耗提供理论依据。 1·几何结构 空调室内机主要由进风格栅、换热器、贯流风机、蜗舌、蜗壳及调节板等组成,其结构如图1所示。 换热器采用较为常用的三折式换热器,回风方式为下回风,室内空气由回风口进入,经换热器降温后通过贯流风机由出风口送入室内,出风口设调节板以调节送风气流的角度。 空调室内机换热器采用的铜管肋片式换热器具有以下优点[9]:1)比表面积大,有效换热强;2)体积小,节省成本,适应室内机小型结构;3)可灵活布置热侧和冷侧表面等。 2·数学模型及边界条件 2.1 模型的建立及网格的划分 考虑结构的对称性以及计算机的运算能力,截取长度为30 mm的一部分进行计算,同时将不参与计算的部分去掉,得到简化后的模型。 由于空调模型求解区域的复杂性,划分的网格不可能全部为结构化网格,因此部分采用非结构化网格划分。同时,为了便于网格的划分,将模型划分为8个部分,如图2所示。 其中,贯流风机叶片部分由于结构太小需要进行网格加密,加密区域为贯流风机内外各延伸3 mm区域(见图2中6);空调器进出口延长区域是为了能够获得更为接近实际的边界而作的处理;整个叶轮及内部区域设为旋转区域。网格划分图如图3所示。 2.2 控制方程 控制方程为N-S方程,湍流模型为标准K-ε双方程模型。由于流体并非高速可压流体,故选择非耦合求解法,控制方程如下: 连续性方程 动量方程 式(1)~(4)中 ρ为流体密度,kg/m3;U为流体速度,m/s;i,j,k分别为x,y,z轴上的分量;t为时间,s;p为相应截面的表面力,N;μe为动力黏度Pa·s;g为自由落体加速度,m/s2;β为压力梯度平衡参数;T为能量项;K为单位质量的湍流动能,J/kg;ε为湍流运动的耗散率;Pk为由平均速度梯度产生的湍流动能,J;Pb为由浮力产生的湍流动能,J;cε1,cε2,cε3为常量;σK,σε分别为K方程和ε方程的湍流Prandtl数。 2.3 边界条件及求解过程 默认流体流动为定常流进行计算,边界条件及其他参数设置如下。 1)进风口设为压力入口,出风口设为压力出口[10],根据工程实际条件和测试条件,设置入口总压和出口静压均为0 Pa。 2)旋转区域设置:旋转方向沿z轴负方向,贯流风机的转速n=900 r/min,其余各面按默认设置。 3)为研究换热器肋片的阻力对流经换热器的气流的影响,根据经验假设换热器阻力损失系数KL分别为0,30,60,90四个不同值,然后分别计算。 4)压力速度耦合采用SIMPLE算法,为获得较好的收敛,松弛因子的动量项、湍流动能项、湍流耗散率项分别设置为0.3,0.4,0.4,其余项采用默认值。离散时均采用一阶迎风离散格式。 5)各项残差均设为10-3,另外,设置出口处的体积流量作为监控参数。 3 计算结果及分析 保持计算模型不变,仅改变换热器阻力损失系数,然后分别采用上述方法计算,通过对得到的结果进行处理,获得的流线图和矢量图如图4,5所示。 从图4可以看出,阻力系数的改变对风道系统换热器上游区域的影响甚微,但对贯流风机入口的影响很大。随着阻力系数的增大,贯流风机入口气流的均匀性变差,吸入口面积越来越小。当KL=0时,贯流风机的整个迎风侧几乎全部可以吸入空气;KL=30时,贯流风机上部吸入面积减小,且存在一定的绕贯流风机的旋转;KL=60时,气流绕贯流风机的旋转增强,气流不均匀性增大,造成了吸入面积的减小;而KL=90时,气流的不均匀性增加,流线出现一定的扭动,流经最上一段换热器的气流扭至贯流风机下部进入,此时的吸入面积所占区域只达到1/4左右的叶轮弧长。 同时,随着阻力系数的增加,贯流风机内部气流的贯流情况也逐渐变差,KL=0,KL=30时,贯流风机内部流线均匀;KL=60时,贯流风机内部气流出现紊乱;而KL=90时,贯流风机内部气流更加混乱。 由图5可知,换热器阻力系数的大小对偏心涡的涡心位置影响较小,但对贯流风机内部流场有着一定的影响。随着阻力系数的增大,偏心涡所影响的区域增大,回流现象也越严重。回流会造成很大的能量损失,而贯流风机的效率又取决于回流流量占总流量的比例[7]。 另外,从贯流风机吸入口来看,KL=0时吸气情况明显优于KL=30,60,90时。当KL=30时气流已出现较微弱的绕贯流风机的旋转,当KL=60,90时这种旋转就更为明显,这也造成了贯流的困难以及送风的紊乱。即随着阻力系数的增加,送风效果越来越差。 图6所示为统计流量的各截面,图7为KL取不同值时统计截面的流量曲线。图7中,除个别统计截面之外,多数截面的流量值随着阻力系数的增大逐渐减小,换热器阻力损失越大,流经各统计截面的空气流量越小。第10~13个统计截面当KL分别为30,60,90时,流量值变化较小,也即阻力系数的变化对于流经第10~13四个截面上的空气的流量影响较小。 由图7还可以知道,KL取不同值时获得的四条曲线的变化趋势是基本一致的,也就是说阻力损失系数的大小并未影响气流流经换热器时各统计截面之间的流量分配,且对于每个KL取值对应的曲线而言,流量峰值都出现在第7个统计截面上,流量的最小值则出现在第10或者第11个统计截面上。 图8给出了不同阻力损失系数下室内机的送风量。图8表明,随着换热器阻力损失系数的增加,室内机的送风量降低,两者近似呈反比。这是由于在贯流风机转速一定的情况下,其所具有的送风能力基本已经确定,换热器阻力系数越大,气流的均匀性、贯流效果越差,因此送风量也越来越小。 4·结论 通过对包括贯流风机和换热器在内的空调器室内机整体进行三维数值模拟,分析了换热器阻力对室内机流场特性的影响,结果表明,对相同结构和布置方式的换热器,在相同工况下,随着换热器阻力的增大,贯流风机有效吸气面积减小,吸入口气流均匀性变差,气流绕贯流风机的旋转增强,造成室内机气动噪声增大;送风气流湍流度增大,舒适性降低,回流严重,贯流风机性能降低;室内机送风量明显减小,各统计截面流量也减小,且减小趋势较为一致。 所以无论从节能还是从空调舒适性角度来讲,都有必要降低换热器阻力。 参考文献: [1]邵乃宇,徐亮,余晓明.空调换热器性能试验研究[J].制冷技术, 2003(1):29-32 [2]Wang C C, Lee C J, Chang C T, et al. Some aspectsof plate fin-and-tube heat exchanger: With andwithout louvers [J]. Journal of Enhanced HeatTransfer,1996,6(5) [3]Hiroaki K, Shinichi I. High-efficiency heatexchanger[J]. National Technical Report, 1989, 35(6): 653-666 [4]Kang H C, Kim M H. Effect of strip location on theair-side pressure drop and heat transfer in stripfin-and-tube heat exchanger [J]. International Journal of Refrigeration,1999,22 (4): 302-312 [5]邓明义,孟鸣.空调器室内机热交换器结构的研究[J].家用电器科技, 2001(6) [6]郝辉,陈旭,田杰,等.热交换器布置方式对家用空调器噪声影响的理论分析[J].流体机械,2003,31(7):43-46 [7]胡俊伟,丁国良,张春路.热交换器形状对空调室内机性能的影响[J].制冷学报,2004,25(2):50-53 [8]宋吉,郑钢.浅谈高效房间空调器的换热器设计[J].家电科技, 2008(9):52-54 [9]陈颖,邓先和,王杨君,等.房间空调器中换热器的研究概况及进展[J].制冷学报, 2002, 23(4):34-39 [10] Shih Y, Hou H, Chiang H. On similitude of thecross flow fan in a split-type air-conditioner [J].Applied Thermal Engineering, 2008, 28 (14/15):1853-1864 |
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