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新型组合翅片换热器数值研究
贾庆贤 赵夫峰 曾昭顺 杨九铭 张智
(广东美的制冷设备有限公司)
摘 要：通过对传统多排管翅式换热器的研究分析,提出第1排为平片且后部为开缝翅片的新型组合翅片换热器,并对传统和新型组合翅片2种形式换热器内的空气流动和换热进行数值分析。结果表明,新型组合翅片换热器的综合换热性能比传统翅片的提升5%~8%。
关键词：换热器;翅片;流动阻力;换热量;数值模拟
目前,空调中使用的换热器为单排或多排铜管翅片式换热器,翅片采用各种冲缝形式来增加气流扰动,以提高翅片表面和铜管外壁对流换热系数,且对于多排换热器其前后各排的开缝形式相同(见图1)。在空调的实际使用中,比如冷凝器中的制冷剂在大部分管程中处于两相流动状态,在这种状态下,整个管内流体的温度变化很小,反映在管壁温度和翅片温度上就是,在冷凝器的绝大多数面积上温度几乎相同,即前排管和后排管的管壁温度及翅片表面温度是相近的。当空气流过铜管翅片进行换热时,前排的换热温差就会大于后排的换热温差,这样,后排的换热量就小于前排的换热量。为了解决这个问题,张智等[1]针对不同管径组合进行了数值研究;屈志国等[2-3]运用场协同理论,对翅片开缝位置依据“前疏后密”原则进行了优化设计。不同管径组合在实际工艺中操作较难,因此也较难推广;开缝“前疏后密”的翅片则要大规模更换模具,成本太高。笔者基于场协同理论和企业实际需求,提出新的平片与开缝翅片组合方式的新型组合翅片。
1·模型
1.1物理模型
新型组合翅片的换热器(以3排为例),如图2所示(气流方向如图中箭头所示)。空气流过前排与铜管和翅片换热后,温度变化相对较小,与后排的铜管和翅片换热的温差相对增大,增大了后面各排的换热量,总体换热能力基本保持不变。而且由于前排翅片为平片,可以降低空气流动阻力从而获得更大的风量。
1.2 控制方程[4]
2·数值计算方法
对传统的多排翅片形式和新型组合翅片形式进行流动和换热的数值模拟,笔者以3排管径为9.52mm的传统组合翅片(翅片开缝类型为百叶窗)和新型组合翅片(翅片开缝类型为平片+百叶窗)为研究对像,计算的翅片单元如图3所示。图中:δ为翅片厚度,取0.105mm;H为翅片间距,分别取1.2,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8mm;Tw为铜管外表面温度(K);T为外界气流温度(K);r为铜管半径(mm),下标i表示内径,o表示外径。实际计算区域为图中虚线所围的区域,区域的边界使用对称性边界条件和周期性边界条件,假定铜管内、外表面温度保持不变,忽略翅片和铜管间的接触热阻。换热器为3排,采用叉排排列,孔间距为25.4mm,片宽为22mm。
计算条件为:制冷工况下,换热器向外界散热,此时取铜管壁温度318K,外界气流温度308K,气流入口速度1.0,1.5,1.8,2.0,2.2m/s。压力-速度耦合采用SIMPLE方法,翅片表面采用自身导热和对流换热的耦合方式。
3·数值计算结果与分析
3.1 流场分布
笔者对上述2种形式翅片进行数值模拟,图4~图7分别是2种翅片流动方向上温度场和换热系数分布图。
从图4~图7可以看出,新型组合翅片前排的温度差明显小于传统3排的温差,有效地增大了后排的换热温差,使整体换热能力增强;新型组合翅片的表面换热系数相对传统3排的均匀些,可以平衡翅片前后部的热阻,增强换热能力;新型组合翅片的前排风阻明显小于传统3排翅片的,使后部的气流速度高于传统翅片的,增强了综合换热能力。
3.2入口风速的影响
在不同的空气流速下,传统组合翅片和新型组合翅片的换热量、空气流动阻力与风速如图8和图9所示。从图中可以看出:
1)在相同的翅片间距下,迎风风速越大,翅片换热量越大。因为在同样的翅片间距下,风速越大,翅片表面的空气流速越大,表面的换热系数增大,换热量增大;由于风速增大,换热器上的风阻也增大。
2)在翅片间距和风速分别相同的条件下,传统组合翅片换热量与新型组合翅片的换热量相差很小;而传统组合翅片的风阻与新型组合翅片的相差较大。因为第1排采用平片,减小了空气的流动阻力。
3.3翅片间距的影响
在相同风速条件下,传统组合翅片和新型组合翅片的换热量、空气流动阻力与翅片间距如图10和图11所示。从图中可以看出,翅片间距在1.2~1.8mm范围内,翅片间距越大,翅片的换热量越大。因为随着翅片间距的增大,流过翅片通道的空气质量流量增大,翅片的换热量增大;随着翅片间距增大,空气流过翅片时的阻力减小。
3.4 单位泵功情况下
在空调器的实际运行中,相同风机应用于不同换热器,翅片形式、翅片间距、排数等的不同,导致风量不同(阻力小的换热器风量大,反之风量小)。在2种风速,单位泵功的情况下,分析2种组合翅片换热器的综合换热性能如图12所示。
由图12可知,在单位泵功条件下,传统翅片的换热量虽然大于新型组合翅片的换热量,但新型组合翅片比传统翅片压降减小的量大于换热量增加的量,所以新型组合翅片的综合换热性能较好。
4·结论
通过对2种组合形式的3排翅片进行数值分析,得到结论如下:
1)新型组合翅片可以有效降低前排温差和风阻,增大后部的换热温差,平衡前部和后部的翅片热阻,增强换热器的换热能力。
2)相同入口风速条件下,新型组合翅片的综合换热性能比传统翅片的综合换热性能大5%~8%。
参考文献
[1]张智,金培耕,刘志刚,等.不同管径组合的冷凝器换热数值研究.热科学与技术,2002,1(2):104-108.
[2]屈治国,何雅玲,陶文铨.平直开缝翅片传热特性的三维数值模拟及场协同原理分析.工程热物理学报,2003,24(5):825-827.
[3]金巍巍,屈治国,张超超,等.空调蒸发器用管翅式换热器开缝翅片的数值设计.工程热物理学报,2006,27(4):688-690.
[4]陶文铨.数值传热学.2版.西安交通大学出版社,2001.
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