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管翅式换热器管路布置优化设计的数值研究点击：2186 日期：[ 2014-04-26 21:14:30 ] |
| 管翅式换热器管路布置优化设计的数值研究 陶于兵 何雅玲 唐连伟 陶文铨 (西安交通大学能源与动力工程学院，动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049) 摘要：采用分布参数法模型对常见的双流程管翅式换热器，在不同的空气及制冷剂进口状态下的工作性能进行了数值研究，对管路布置提出了改变不同流程管径比的优化设计方案，并从数值模拟的角度给出了验证。数值计算结果表明改变两流程之间的管径比可以优化换热器的换热性能，而且两流程的管径之间存在一个最佳比值 0.8，在该最佳管径比下，换热器的换热性能在不同工况下均比相同管径提高 6％～11％，同时可以使空气侧的阻力损失减少 2％。 关键词：管翅式换热器；管路布置；优化设计；数值模拟 中图分类号：TK 172 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2007）06–0893–06 管翅式换热器在制冷、空调、化工以及工业废气冷热处理、压缩机中间冷却等工程领域中有着广泛的应用。换热器研制过程要考虑两方面的问题[1]：一是热交换器中传热过程的强化，二是整体性能要求的提高。对于多流路的翅片管换热器，制冷剂经过分配流入换热器的不同流路，在各流路中换热的均匀性对提高换热器的整体性能有很大的影响。因此，对多流路换热器中制冷剂的流路布置进行优化，使各流路换热均匀是提高换热器整体性能的一个重要措施。目前对流路的设计，还主要停留在实验尝试阶段，每一种新的流路设计方案的开发，都需要经过样机的实验测试，延长了研发周期，增加了研发成本[2]。 本文针对一种常用的双流路管翅式换热器，采用分布参数法模型，通过数值模拟的方法，在空气及制冷剂不同进口条件下，分析了其换热性能；并对管路布置进行了优化分析，说明了在双流程管翅式换热器中，存在一个最佳流程管径比。 1 物理模型 图 1（a）为所研究的管翅式换热器的外观结构示意图，图 1（b）为空气及制冷剂的流程示意图，从图(b)中可以清楚地看到，经膨胀阀出口的制冷剂分成 a、b 两个流路进入蒸发器，在管内蜿蜒流动换热。空气吹过管外翅片构成的狭缝通道，流动方向与制冷剂的流动方向垂直。换热器的结构尺寸参见表1。 该管翅式换热器沿着空气流动方向是双流路布置（a 和 b 两个流路），在该布置条件下，由于 a 流路空气的进口温度较高，空气和制冷剂间的温差较大，使流路 a 的换热效果明显比流路 b 好。因此，如果两流路的管径一致，制冷剂流量在 a、b 两个流路平均分配，那么很有可能是 b 流路出口尚处于两相区，而 a 流路出口已经达到了过热，从而使得两个流路的换热不均匀，恶化了换热器的整体换热性能。而且，在相同的制冷剂质量流量下，制冷剂在过热区流动的压降比两相区要大，因此，如果在 a流路出现过热的情况下，a 流路制冷剂的压降肯定比 b 流路大。为了满足换热器在稳定工况下，不同流路制冷剂进出口压力一致的要求，a 流路中的制冷剂分配量必须小于 b 流路，而这样的流量分配又会更进一步恶化换热器的换热性能。 本文的优化设计思想是：通过减小流路 b 的管径，使得制冷剂在流路 a 中的分配量大于在流路 b中的分配，从而使换热器两个流路的换热均匀，换热性能得到优化；同时由于流路 b 的管径较小，可以保证其在较小的流量下仍然具有同流路 a 相同的压降，满足不同流路制冷剂进出口压力一致的要求。但是，随着流路 b 的管径进一步减小，主要的制冷剂流量都分配到了流路 a，这样会出现流路 a 的出口仍在两相区，而流路 b 的出口已经过热，再次出现换热不均匀现象，使换热性能恶化，因此，两流路管径之间存在一个最佳比值，在该比值下换热器可以达到最佳的换热性能。本文对该优化方案进行数值验证。 2 数学模型 2.1控制方程 对换热器使用分布参数法模型，采用热力学分析的方法，将计算过程转化为在划分的计算单元内求解传热方程和热平衡方程，并补充求解经验关联式，从而得到换热器的性能参数。取计算单元如图2 所示。 在编写数值模拟程序时做了如下假设： （1）每个单元当作一个独立换热器处理； （2）忽略管壁热阻； （3）忽略空气中水蒸气凝结的影响，换热器表面当成干表面处理。 基于上述假设，对于一个给定的换热单元，可以得到如下控制方程。 空气侧能量平衡方程 在上述控制方程的基础上，结合空气及制冷剂进口边界条件（通常采用直接给定入口温度及其他相关物性参数的第一类边界条件），即可开展换热器性能的模拟计算。然而要确定传热方程中的传热系数k 以及空气和制冷剂的出口压力，需要预先知道空气及制冷剂侧的换热和阻力系数，因此需要选定相关的实验关联式。 2.2 换热及压降关联式 2.2.1 空气侧 对管翅式换热器 Wang[3]曾经做过大量的实验研究，并得出了具有较高预测精度的换热及压降实验关联式，本文选用 Wang 关联式 2.2.2 制冷剂侧 制冷剂在蒸发器内的换热伴随着相变过程，因此在制冷剂侧的换热和流动分成两相区与过热区两个区域。 对于过热区，采用 Dittus-Boelter[5]换热关联式来计算换热系数 关联式的具体说明可参见相关参考文献，这里为了内容简洁，将不作详细描述。 3 模拟结果及讨论 作者自主开发了换热器的数值模拟程序，对换热器在不同的空气及制冷剂进口状态下的工作性能进行预测，同时也可以为换热器的优化设计提供数值验证。为了验证数学模型及模拟程序的可靠性，本文先对管带式换热器进行了模拟计算，并将模拟0结果同实验结果进行了对比，如图3所示。从图3中可以看出模拟结果同实验结果符合良好，换热量的最大偏差小于 8％，压降的最大偏差小于 7％。经过分析可以发现，模拟的偏差主要是由于实验关联式本身的偏差引起的，现有的实验关联式的偏差通常都在±10％左右。 下面对本文研究的管翅式换热器进行模拟分析，计算的额定工况如表 2 所示。在计算过程中，每次只改变其中一个参数，分析在该参数变化条件下，换热器两流程的不同管径比对换热性能的影响。同时为了便于说明，约定d2代表流路b的铜管管径，而d1代表流路a的铜管管径。 图4是在不同空气流量下，换热器的换热和阻力性能曲线。在图 4（a）中，换热器的换热量随着空气流量的增加而增加，开始时增加较大，然后增加趋势减小。这主要是因为换热器的迎风面积不变，空气流速随着流量的增加而增加，而随着流速增加空气侧的换热系数也在逐渐增加，但增加趋势逐渐减缓。在不同的空气流量下都存在一个最佳的两流程管径比 d2/d1＝0.8，可以使空气流量在 200 m3·h－1、228.38 m3·h－1、250 m3·h－1这3 种工况下的换热器的换热性能分别比相同管径下提高 10％、11％和 7％。同时从图 4（b）可以看到空气流量的增加，加快了空气流速，使空气侧的压降也在增加，而且压降还随着管径比的增加而增加，在最佳管径比 0.8 的条件下，空气阻力比相同管径下小 2％。 图 5 是不同空气进口温度下，换热器的换热性能曲线，由于空气的进口温度对空气侧压降的影响较小，这里不再讨论压降的变化关系。空气的进口温度越高，空气和制冷剂之间的换热温差就越大，换热器的换热效果也越好，因此，换热器的换热性能随空气进口温度的增加而增加。而且在不同空气进口温度下，同样有一个最佳的管径比在 0.8 左右，在该最佳管径比下可以使空气进口温度为 25℃、27℃、29 ℃，3 种工况的换热性能分别提高 8％、11％和 7％。 图 6是不同制冷剂进口温度（蒸发温度）条件下换热器的换热器性能随管径比的变化关系。随着蒸发温度的提高，一方面空气和制冷剂之间的温差减小，另一方面制冷剂的潜热换热量也减小，因此造成换热器换热性能随蒸发温度的升高而降低。在不同制冷剂进口温度下，同样存在一个最佳管径比，而且最佳管径比同样在 0.8 左右，可以使蒸发温度分别在 1 ℃、3 ℃、5 ℃，3 种制冷剂进口温度下的换热性能比相同管径条件下分别提高 7％、11％和 9％。 图 7 是在制冷剂不同进口干度条件下，换热器换热性能曲线。随着制冷剂进口干度的增加，制冷剂的潜热换热量减小，换热器换热性能也逐渐减小。在不同制冷剂进口干度条件下，仍然存在最佳管径比 0.8，使得换热性能在 0.2、0.246、0.3，3 种制冷剂不同进口干度下，比相同管径分别提高 9％、11％和 7％。 图8是制冷剂不同质量流量下的换热器性能曲线。随着制冷剂流量的增加，制冷剂的流速及潜热换热量都在增加，因此换热器换热性能随着制冷剂的质量流量的增加而增加。在不同的质量流量下，换热性能同样随管径比的增加，先增加再减小，存在一个最佳管径比为 0.8。在该最佳值条件下，对应制冷剂流量为 0.46 kg·m－1、0.5 kg·m－1、0.55 kg·m－1， 3 种工况换热性能比相同管径分别提高 11％，9％和6％。 通过以上的计算分析，可以看出在不同的制冷剂及空气进口条件下，对换热器的换热性能来说，都存在一个最佳管径比，因此证明本文先前提出的优化设计思路及设计方案的正确性。 4 结 论 针对一种双流路布置的管翅式换热器，采用分布参数法模型，开发了数值计算程序，并对换热器在不同工况下的工作性能进行了分析。提出了改变不同流路管径比的管路布置优化方案，并从数值计算的角度给出了验证，得到结论如下。 （1）换热器的换热性能随着空气流量、空气进口温度、制冷剂流量的增加而增加；随着蒸发温度、制冷剂进口干度的增加而减小。 （2）在各种工况下，都存在最佳流路管径比，本文计算得到的最佳管径比在 0.8 左右，在该管径比下可以使换热器的换热性能比相同管径下提高6％～11％，同时空气侧的阻力减小 2％。 （3）对于多流程换热器，应当适当调整制冷剂在各流程间的流量分配，尽可能使得各流程换热均匀。而改变不同流程的管径比，可以有效地调整制冷剂在各流程间的分配，从而使换热器的整体换热性能得到较好的优化。 |
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