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换热器开缝翅片的参数影响分析研究点击：1952 日期：[ 2014-04-26 21:53:57 ] |
| 换热器开缝翅片的参数影响分析研究 姚洪芳 （青岛海尔空调器有限总公司，青岛） 摘要：目前市场上常见的7mm管径开缝翅片（又称桥片），分析其换热的原理，提出物理与数学模型，采用商业软件FLUENT计算其流动及换热特性。重点针对桥片在不同设计参数下的性能进行了数值研究，分析了横向管间距、纵向管间距、片间距和控制圆等对翅片换热能力的影响，还有入口风速对流动与换热特性的影响，最终提出能够取代目前已有的7mm管径的X型桥片的翅片。 关键词：换热器开缝翅片（桥片）传热压降 1·引言 管翅式换热器广泛地应用于HVAC&R领域，改进翅片的性能，推出更加节能、节材的紧凑式换热器，有重要的意义。Wang等[1，2]对18种不同结构的平直翅片空气侧的流动和换热特性进行研究，分析管排数、管径和翅片间距的影响。间断型翅片是一种被广泛使用的强化表面，通常包括百叶窗翅片和开缝翅片（又称桥片或交错翅片）。间断型翅片的几何结构可以破坏边界层的发展，并且能让流体混合的更加充分，达到强化换热的目的[3,4]。Wang等[5]对开缝型、百叶窗型及平直翅片的实验表明，间断型翅片的空气侧换热和流动性能优于平直型翅片。但是随着翅片间距和Re数的减小，这种优势也会逐渐减小。研究表明，在平直翅片后部开缝比翅片前部开缝，换热增强更多，还发现在速度场和温度场协同比较差的区域开缝，传热强化更有效[6]。双向开缝片可使传热提高22.7%~42%,总体阻力系数增加28.29%~54.92%[7]。Yun和Lee[8]则系统比较了不同几何结构参数对开缝翅片换热器性能的影响。数值模拟的发展为研究换热器的流动与换热特性提供了有效的手段。周等[9]应用SIMLPLE算法模拟辐射型开缝肋片表面的传热及流动阻力特性，根据场协同原理分析计算，得出换热量随Re数和开缝角度的变化规律。这些研究成果，为分析现存换热器中存在的问题，找出可进行性能强化的途径，为设计出高性能的换热器提供一定的思路。本文研究开缝翅片换热器的各项参数——横向管间距、纵向管间距、片间距、翅片开缝高度等的对桥片单元量的换热性能的影响。计算采用高仿真流体软件FLUENT计算出现已有7mmX型桥片的压降和换热量，并在此基础上研究考察开缝翅片不同参数下的流动与换热特性，最终设计出取代原有翅片的5mm管径的开缝翅片。 2·与物理数学模型 2.1物理模型 计算基于冷凝器传热模型，在整个传热过程中，制冷剂在管内放出热量通过管壁导热导给翅片，最终通过空气的对流将热量带走。制冷剂在管内的传热非常复杂，涉及过热区、两相区和过冷区。本文主要研究空气侧翅片在不同管径偏移量的传热性能，将管内的热阻固定，即管壁温度取为定值（第一类边界条件），其值取为实验中管壁温度的平均值。由于在计算中考虑到翅片中的温度分布，即翅片中的温度通过计算确定，使得此问题属于流固耦合问题。对低速空气的流动，在温差不太大的情况下并引入以下的简化： 1）假定通道中流体流动和热交换为层流稳定流动； 2）忽略重力对流动和换热的影响； 3）空气为不可压缩流体； 4）空气和翅片的物性参数为常数； 由于开缝翅片的结构较为复杂，为了表述计算的数学物理模型及区域，先以平片为基础进行说明。图1是两排管平直翅片换热器的结构示意图。由于在垂直于流动的方向上(Z方向)呈周期性布置，在垂直于流动方向（Y方向）方向上呈对称布置，因此可选取一个翅片间距的结构作为代表性的单元（图中阴影部分）来进行研究。研究单元有多种选取方式，通常情况下为了划分网格和计算的方便，多采用如图所示A、B两种方法，方法A中固体翅片区位于研究单元的上下部，其中间为流体区；在方法B中，固体翅片区位于研究单元的中心，表面上下部均为流体区。结合本文研究的特点，采用了方法A作为数值模拟的物理区域，所形成的计算区域如图2所示。从图2可以看出，计算区域为一个三层结构，中间为流体区，上下为半个翅片厚度区域，注意到上下表面在缝条处实际为流体区，圆管在高度方向垂直穿过计算区域。为了使用速度和温度均匀入口边界条件和出口达到充分发展，实际的计算区域分别在翅片前后延伸了一定的距离。 采用GAMBIT画出计算单元的三维实体，双向开缝翅片管换热器几何建模如图3所示。由于计算的网格质量对计算结果的准确性和收敛性具有重要的影响，因此在计算中选择收敛性能好的六面体网格，没有采用正交性。四面的非结构体网格，且尽可能保证网格的正交性。 2.2控制方程和边界条件 基于以上的物理模型，在三维坐标系下，流动与传热的控制方程如下： 物理边界条件简述如下： 进口流速、温度给定；出口局部单向化；上、下、前、后面对称；翅片上、下开缝处流体为周期性边界条件；管子给定壁温[10]。控制方程的离散采用有限容积法，压力与速度的耦合问题采用FLUENT软件中的SIMPLE方法进行处理，计算格式采用指数格式。 3·计算结果及分析 本课题对翅片实际工况进行模拟，在计算中建立了三维几何模型，并对翅片形式、管径大小、横向纵向管间距、控制圆、片间距和开缝形式深入进行研究，探索其参数对换热器阻力和传热性能的影响，得到能够取代现有7mm管径翅片的小管径翅片（5mm管径翅片）。 3.1管径的影响 考察在其它条件相同的情况下，,直接改变管径，并根据研究经验减小控制圆通后对流动和换热特性的影响。这里研究了两种管径，7mm(考虑胀管和壁厚为7.38mm)和5mm(考虑胀管和壁厚为5.28mm),对温度和流动速度的影响。对比结果表示在表1中。 图4和图5分布表示了NO.01和NO.02号计算区域上表面的速度场和温度分布。从图4可以看出，当管径减小时，管壁对空气的流动的扰动减弱，导致管后尾部绕流区明显减小使得流动阻力减小，但是使靠近管壁附近的最高流速降低，从而传热的核心区域的有效流量降低，使传热能力减小。从图5中可以看出大管径条件下，计算区域上表面特别是前排靠近壁面处流体的平均温度处要高于小管径下对应位置流体的平均温度。而且翅片出口的温度要高于小管径下出口温度，所以进一步证明了管径减小降低了翅片的效率，导致换热性能的降低。 3.2控制圆的影响 考察在其它条件相同的情况下,直接改变控制圆的大小对流动和换热特性的影响。在其他参数不变的情况下，对比研究了5mm管径的桥片分别在4个控制圆半径下的阻力和传热性能，并将对比结果表示在表2中。 图7和图8分别表示了控制圆直径对流动的影响，从图中可以看出，当控制圆直径适当减小时，开缝的长度增加，可以使更多的流体贴近管壁，使得近壁处的流体的局部速度增加，而近壁面处是翅片上局部热流密度最大的区域，对传热的影响具有正面影响，因此NO.04比较NO.03性能有所提高，当进一步减小控制圆至4.2mm以下（工艺难以实现），传热性能反而下降，只是由于开缝增加导热热阻的作用而对传热具有负面影响的作用更为突出。 3.3开桥高度的影响 考察在其它条件相同的情况下,直接改变开桥高度对流动和换热特性的影响。NO.02和NO.07相比分析单桥高度的影响，NO.08和NO.09相比分析了双桥的性能影响。对比结果表示在表3中，图8和图9分别表示了NO.02和NO.07计算区域表面的速度场和温度场。（管径5.28mm） 3.4纵向管间距和开缝形式的影响 考察在其它条件相同的情况下,直接改变横向管间距对流动和换热特性的影响。这里分为单桥组（NO.04,NO.10,NO.11）和双桥(NO.12,NO.13)两组,单桥组研究了9.0mm、9.5mm和10mm三个半纵向管间距值，双桥组研究了9.75mm和9.6mm两个半纵向管间距。分析其对流动和传热性能的影响，从换热和经济角度选择纵向管间距。对比结果表示在表4中。 以单桥组为例，图10表示在三个不同纵向管间距下，计算区域上表面的速度分布，由图中可以看出由于纵向管间距的改变使最窄截面的面积发生了改变，纵向管间距越大，流动的压降越小，因此纵向管间距为10mm的管型阻力最小。 图11表示在不同纵向管间距下，计算区域上表面的温度分布，由图中可以看出由于纵向管间距的改变使三种条件下的迎风面积不同，纵向管间距越大对应的迎风面面积越大，流体质量流量越大，所以纵向半管间距为10mm的管型计算单元的换热量最大，但就流体出口温度而言，半管间距为9.75mm的出口流体温度最高，所以在相同的迎风面积下，半管间距为9.75mm的管型换热量最大。这样的结果说明纵向管间距对传热能力的影响不是单调变化，而是存在一个优化的数值，在本课题中，原片型的对于单面桥片半纵向间距具有综合的优越性能。类似的分析可以发现，对于双桥组，优化的纵向半管间距为9.6mm，这也是本研究所推荐的桥片半纵向间距。 3.5片间距的影响 考察5mm管径桥片NO.14和NO.03两个片型，两者片间距不同，其它参数全部相同。对比结果表示在表5中。图12和图13分别表示了两种片型表面的流场和速度场。从表5和图中可以看出，随片间距减小，阻力压降增加，换热量减小，单位迎风面积换热量却增加，可以看出，减小片间距，可以有效地增大单位迎风面积换热量，但是阻力压降也会增加。 3.6翅片材料厚度的影响 考察依次采用厚度0.11mm、0.105mm和0.095mm厚度的三个翅片，对比结果表示在表6中。图14和图15分别表示了该三种片型的速度场和温度场。从表和图中可以看出，随着厚度的减小，阻力压降也减小，换热量和单位迎风面积换热量也逐渐减小，为保证换热量，本课题推荐桥片厚度为0.11mm。 3.7翅片优化结果 根据上述翅片参数的敏感性的分析，本为对所计算的开缝片型进行综合比较和分析，表明直接在换热器翅片中将7mm管径改为5mm管径，会使相同迎风面积下的换热量下降。为了实现替代，必须考虑在改变片型的同时，改变管间距和片型，并可利用5mm管径换热器阻力小的优势，减小控制圆直径，增长翅片条缝长度，弥补换热的损失。经过优化组合后，本文计算得出了新的桥片，在计算单元内它能够达到与原有7mm管径的X型桥片的换热要求，并且翅片面积较小，可以减小翅片生产材料用量，降低生产成本。原有X型翅片和新设计的桥片阻力特性和换热能力，数据分析见下表7。 从表7中可以看出，设计出的单向、双向开缝，开缝高度为0.77mm新的桥片，其阻力压降较小，换热能力还优于原有的7mm管径的X型桥片。还有得到的5mm管径的X型桥片，其换热能力也优于原有的7mm管径X型桥片。所以，经过仿真模拟，计算得出的新的桥片，完全能够取代原有片型，把制冷剂管径从7mm减小到5mm，还减小翅片的单元换热面积，节约生产材料，降低生产成本，对高效、节能生产具有重要的意义。 4·结论 本文研究了桥片换热器翅片参数对传热和阻力性能的影响，主要的结论如下： (1)管径对翅片换热影响很大，在减小管径时换热量也会随之减小，为了避免这种影响，要对翅片其他参数进行调整，提高换热效率。 (2)减小翅片的控制圆，即增加翅片开缝长度，可以有效的增加换热量；但是控制圆从4.2mm减小到4.0mm，效果并不明显。 (3)翅片的开桥高度，对翅片的换热能力也有影响，增加开缝高度可以提高换热量；但是开缝高度超过0.8mm，效果不明显。 (4)翅片的纵管间距有一个最优值，不同的翅片类型，最优值不同，与开缝形式和横向管间距相关。 (5)在相同的情况下，翅片的单向开缝一般优于双向开缝翅片。 (6)减小片间距，可以有效地增加翅片单位迎风面积换热量，但同时阻力压降也会增加。综合考虑，推荐使用1.2mm的片间距。 (7)翅片材料厚度对换热量也有影响，综合考虑，推荐使用0.11mm的翅片厚度。 参考文献：略 |
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