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气流非均匀分布时百叶窗翅片式换热器性能仿真点击：2427 日期：[ 2014-04-26 21:35:16 ] |
| 气流非均匀分布时百叶窗翅片式换热器性能仿真 海瑛1，陈敬虞1，李文贵2 (1．嘉兴学院机电工程分院，浙江嘉兴314001;2．浙江嘉兴双能冷却器有限公司，浙江嘉兴314001) 摘要:针对百叶窗翅片式换热器传热和流动性存在的问题，在风洞试验台上，对两种不同结构(单、三排管)换热器进行了试验，测量了非均匀来流条件下流动和传热的相关值，采用分布参数模型，由威尔逊网格法确定出了翅片的传热关联式;同时结合数值仿真的方法，研究了气流非均匀分布对换热器换热性能的影响，结果表明:非匀流时总的换热系数会下降8．2%。将模拟结果与试验值进行了比较，两者基本吻合，说明仿真程序代码可用作高效换热器的设计工具。 关键词:换热器;气流非均匀分布;试验;数值模拟 中图分类号:TK121;TH122文献标志码:A文章编号:1001－4551(2011)09－1068－05 0·引言 百叶窗翅片管换热器以其高效性和紧凑性已经在制冷空调、汽车及航空航天、动力机械(如:发电机的空气冷却器)等方面获得广泛的应用。研究者一直致力于其性能的改进。换热器工作时，冷却水在管内流动，空气从管外翅片间的通道内流过，并通过翅片和管壁与管内的介质进行热交换。由于换热器结构和风机在不同截面产生的压力点不一致等原因，使得进口通道处均匀的气流进入换热器后变得不均匀，非均匀气流会降低换热器的传热效率，增加空气侧的热阻，其阻值占到了整个传热过程热阻的80%～90%［1］。Domanski建立了平直翅片的换热模型，发现风速的非均匀分布会引起制冷剂侧流量的非均匀分布，从而引起蒸发器性能显著降低［2］;且非均匀气流的强度越大，换热效能的损耗也越大。Chwalowski等运用不同的方法预测了空冷器的性能，并和试验数据进行了比较;研究指出，为了使预测数据更为准确，仿真中引入的风速曲线分布情况必须与实际的气流分布相吻合。由Domanski编写的程序已被Chwalowski等用来分析单排管情况下，同一蒸发器在5种风速分布下的性能，结果表明风速非均匀分布引起的换热量衰减达30%［3］。本研究将采用单元网格法，利用仿真技术研究单排和三排管在气流非均匀分布情况下，换热器的换热性能，以得到其预测模型，并通过试验对模型进行了验证。 1·算法设计 1．1换热器描述 本研究中的换热器采用一种改进且标准的倾斜百叶窗翅片。本研究分析的百叶窗的主要结构参数及含义如图1、表1所示。换热器由21根U形管组成，每管长1．15 m，21根管列为3排，每排为7根管子。每管长1．15 m，分3排以交错矩阵排列，如图2所示。 1．2计算模型 在换热器换热特性仿真研究过程中，本研究使用C++语言，以换热器的每根换热管为研究对象，沿管长方向将其划分成1 000个微元，计算时对于每根换热管，从水进口到出口，顺次进行微元的计算，沿管内水流经的顺序对每根换热管依次进行计算，从而完成了整个换热器的计算。另外计算是对分离的管排数进行的，且第1排的出口状态是第2排的进口状态。对于叉排情况，则由两个垂直微元的平均值算出。这样，仿真就可以在已知结构参数和进口等工况参数情况下，计算并输出空气出口状态、水出口状态及其他热工性能，如图3所示。 在建立计算模型时，引入如下假设:①稳定工况;②气侧，进入换热器第1排(翅片)的空气流速的分布和其他排相同;③水侧，忽略翅片管U型弯管处的换热。 对于单排管传热的计算使用效能－传热微元数(ε-NTU)的方法。由于温度的变化，物性也随之改变，初始值需做反复修正。管内传热系数的计算采用Gnielinski关联式。初步的测量结果表明，现有百叶窗翅标准的关联式无法准确预测传热情况。因此，下面的分析中将使用威尔逊网格法，确定一个新的关联式，并用于仿真计算。为了确定水路压降，垂直段的摩擦系数采用Gnielinski关联式［4］。在U型弯处压降，采用Ita关联式。在确定每个网格的来流速度时，本研究将整个计算视为逆流过程，并在换热器中使用风速仪，采取试验方法在节点距离为5 cm×5 cm的网格上进行测量，每个网格四边中点位置为测点。微元角点的空气流速可用线性插值法算出。假设管壁处流速为零;近壁区，形成层流边界层，可使用层流边界层模型确定速度分布图和边界层厚度。临近管壁边界层的层流网格角点上，其空气速度是通过外边界层的平均值进行估算的。对于输入的空气流速是由微元格4个角的流速平均值确定的。该算法因考虑了层流等要素，所以有较高的计算精度。同时边界层模型的增加，确保了仿真速度分布图与实测速度分布图相吻合。 2·试验测量 2．1试验装置 为了验证仿真模型的正确性，本研究在一个开放式风洞试验台上进行了试验，风量调节是由变频风机实现的，风量的测量是由标准的喷嘴组合完成。试验装置如图4所示。 空气的进口温度采用4个K型热电偶进行测定，如图4中T所示。出口温度的测量是20个K型热电偶安装在可移动横杆上，通过测量每个管子的温度(垂直上下移动横杆)，以得到整体的平均温度。这种测量方法的构想，是为了获得非匀流的影响。当空气质量流量保持不变时，匀流和非匀流的分布从管的出口温度就可看出;其中在均匀来流时，各管出口温度差别较小，而在非均匀来流时，各管出口温度差别较大。 热电偶标定后的精度为±0.1 K。测量在稳态条件下进行，测量中，进水温度的变化为±1℃。水路温度由同一个PID控制器进行设定和控制。水流量采用流量计测量，流量计的精度为0.25%。空气的流量采用标准喷嘴测量，试验试件前后压差的测量采用精度为0.4%差压变送器测量。为了确定来流的分布，局部流速采用热球式的气体流速仪测量。平均流速采用标准的机械测量装置测量，周期设为1 min。 2．2试验结果与分析 2．2．1换热效率 试验数据的采集是在工况稳定后进行的，在水侧(通道内)，可测出进口和出口温度及质量流速。空气侧，可用平均进口温度、质量流速、平均出口温度等参数确定传热性能。大多数传热率低于3%，测量的传热率平均不确定性为2．5%，测量差值大于3%则被舍去。换热器的换热效率采用下式: 2．2．2传热系数 对于叉流与非混合流动的热换器(单排管或三排管)，本研究使用ε-NTU法，就可计算出NTU的值。由此导出总传热系数U，如下: 为了使用这些近似值确定翅片的效率，翅片的半径必须是已知的。当管子叉排时，连续翅周边可看成六边形微元。对于单排测量时，主排管通道接收热水。由于翅片为固定的长方形(3．6 cm宽，2．1 cm高)，翅片高度与翅片宽度之比小于1，可用Zeller和Grewe的方法［6］确定其等效范围。对于三排管测量，可用施密特的方法(2．1 cm高1．2 cm宽翅片)进行计算。对于百叶窗翅片，Perrotin和Clodic［7］认为施密特分析的近似圆形翅片的翅片效率高估出近5%。这是因为波纹可以通过翅片改变传导路径。不过，现有文献中还没有更有效的翅片效率逼近法，因此，Zeller、Grewe和施密特的关联式还被广泛使用。 不同管之间，在低雷诺数时，由供水线路引起的水的温差更大(高达7．5℃)。在目前的文献中，对于翅化效率的计算大都没有考虑这些差异，因此没能很好地解决此类问题。本研究用式(3)翅片效率计算空气侧的对流换热系数，采用无量纲传热因子j和Re(雷诺数)表示: 如上所述，本研究实现了两种不同的测量，其结果将单独说明。首先，在非匀流条件下，对空气侧进口的质量流速进行了大量测量，以确定空气侧的传热表达式。其次，构建了三排管的非均匀流情况，并进行了传热性能的测量，对测出的迎面空气流速和仿真结果进行了比较，从而验证了仿真程序的正确性。 2．2．3单排管和三排管的测试结果与数值仿真结果比较 在测量中，气侧的雷诺数值Re在330～1 350之间(实际工况的雷诺数范围为450～900)，对于单排管共设置了50个数据采集点。其结果表明:水侧、气侧预测的平均值与测量值的最大相对误差是1．6%。同时热导率的实测值与仿真值的误差，水侧是3．6%，气侧是5．3%，气侧大的测量误差主要由测量技术引起，其中横杆移动的错误定位是主要原因。另外当Re＜1 000时，第1排管的换热性能大于其他管子;当Re＞1 000时，由于漩涡的脱落，第1排管的换热性能略低于其他管子，管排数对传热因子j等影响较小。所以将关联式分为雷诺数Re低于1 000和高于1 000两种情况，Re大于1 000，则由关联式预测的单排管和三排管情况基本相同。三排管在非匀流情况下，共设置了21个数据采集点，其预测关联式同单排管。其结果表明热导率的实测值与仿真值的相对误差为:水侧3.6%、气侧6.4%。 2．2．4气流非均匀分布时换热器实验结果与仿真结果对比实例 为了验证仿真程序的有效性，本研究对三排管气流非均匀分布情况进行测试。在测量中，为了得到非均匀来流，本研究将多孔板(孔径为1 mm)放在风扇和沉降室中间，因为通道是矩形的，引入5个分流器放在沉降室(图4的第5部分)前面，以防止流体分离;然后，通过关闭一个或多个这样分离的通道，就可以得到非均匀来流。其中，风速是沿X轴截面方向从左到右分布的，在与均匀来流分布相同质量流的情况下，通过关闭压降室6个进气道的其中两个(图4的第5部分顶部两个通道)，通道内就会有气流的线形分布情况出现;本研究以同样的方式，关闭顶部和底部各一个通道，就可得到抛物形气流分布情况;测量结果如图5所示，图中线性来流分布的雷诺数Re为825。 换热器换热性能实测与仿真值的比较结果如图6所示。曲线显示了不同气流分布时温度的变化情况(曲线从顶部开始)。图6中，笔者选定管内热水流向自右至左，而空气非均匀性是从左到右的，因此最高质量流量和传热会出现在左边。本仿真使用的网格法如Chwalowski的方法一样可对气流速度进行准确的预测。边界层模型对近壁温度的影响，也可以在图6中看出。两种情况下，气侧气温的平均值几乎是相同的。所以，如果只利用平均值，非匀流情况就可能漏测。这再次强调实际的温度测量必须要检测进口流量非均匀性。其中，非均匀的气流分布会影响传热系数U，相对于均匀的气流分布情况，非均匀气流时线形的气流分布换热系数会下降8．2%，抛物线的气流分布换热系数会下降3．6%。这说明在气流偏差(偏离平均风速)相同的条件下，气流线性分布较抛物线分布换热量降低更多。另外，由于热电偶准确定位的困难，造成图中两相邻点的温度差值较大，所以测量技术还需改进。 最后，将实测温度分布与仿真结果比较后，笔者发现误差较小。水侧和空气侧在气流不均匀情况下，用仿真预测的热导率比实测值稍高一些，原因是测量的空气流速变化无常。所以此部分的研究有待进一步的完善。 3·结束语 本研究介绍了试验装置，并测量验证了气流非均匀分布对换热效率的影响情况。结果表明，非匀流时总的换热系数U会下降8．2%，并强调在风洞中测量翅片管换热器的相关性能参数时，需要有均匀的来流做保证。其次确定了百叶窗翅片管的热传导关联式。为了优化换热器的设计，基于分布参数模型，开发了非匀流情况下的仿真程序，并利用相应的试验数据进行了验证。考虑到管壁细纹沟的存在，仿真程序采用了边界层模型。仿真结果表明，仿真与试验数据的最大相对误差为5．15%，说明仿真与试验值基本一致。 参考文献:略 |
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