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p; 微细通道换热器空气侧性能的模拟及优化分析
北京工业大学 金 尧 李红旗
摘要：采用数值模拟方法对微细通道换热器空气侧传热和流动特性进行了研究,得到了在不同迎面风速、百叶窗间距、肋片间距和百叶窗角度下换热器的传热和流动特性,并分析了换热器结构参数对其传热及流动性能的影响。在数值模拟基础上对换热器结构参数进行优化,并采用JF综合性能系数法对各种优化方案进行了综合评价分析。
关键词：微细通道 换热器 空气侧 模拟
0 引言
研究结果表明,随着尺度越来越小,换热器中的流动与换热将明显偏离传统传热学和流体力学所描述的规律,表现出明显的尺寸效应,从而使得微细通道换热器与常规换热器有着本质的区别,整体换热效率可望提高20%~30%。这种效率的提高不依赖材料消耗的增加,是一种经济、有效提高制冷空调产品能效的手段,因而在制冷空调行业有着广泛的应用前景。
微细通道换热器的空气侧换热热阻在整个热阻中占有主要比例,肋片结构形式和几何尺寸对空气侧的传热性能与流动阻力起着决定性的作用。因此,对微细通道换热器空气侧的流动传热特性以及换热器结构优化的研究对于优化微细通道换热器的设计及其在制冷空调系统中的应用均有着重要的作用。
1 数学模型及模拟分析方法
图1为微细通道换热器空气侧百叶窗肋片结构示意图。
肋片结构是影响空气侧流动及传热的重要因素。对于微细通道换热器,不能采用传统的Nu来计算空气侧表面传热系数及压降,而是采用j因子与f因子来表示。对于百叶窗肋片,Chang等人给出了j因子与f因子的计算公式[1-2]。
式(1),(2)中 Td为扁管宽度;Tp为管间距;Lp为百叶窗间距;Ll为百叶窗宽度;Fp为肋片间距;H为肋片宽度;δf为肋片厚度;以上参数单位均为mm;Lα为百叶窗角度,°;ReLp是基于百叶窗间距Lp的雷诺数,可由下式计算：
笔者采用自编VB程序进行了数值模拟。在不同的迎面风速下,对肋片间距、百叶窗间距、百叶窗角度等结构参数对于换热器流动传热特性的影响进行了理论计算和分析;并在此基础上对微细通道换热器与传统肋片管式换热器的流动传热性进行了比较。
2 数值模拟与结果分析
2.1 迎面风速对换热器性能的影响
图2表示了迎面风速与微细通道换热器空气侧传热系数及压降之间的关系。随着空气侧迎面风速的增大,换热器的空气侧传热系数及压降都逐步增加,但传热系数的变化越来越平缓,而压降变化呈增大趋势。所以应该存在一个最佳的迎面风速,使换热器的换热效果最好,压降又在可以接受的范围之内。在迎面风速增加的情况下,两个换热器(流动深度:Fd1<Fd2)传热系数的变化趋势基本一致,但在流动方向上长度较大的换热器的压降变化较快,这是由于它的空气流动深度较大,沿流动方向的沿程阻力损失较大而造成的。
图3所示为微细通道换热器与传统肋片管式换热器在不同迎面风速下的流动传热特性的比较,前提条件是两种换热器的换热面积和迎风面积相等。从图中可以看出,微细通道换热器的空气侧传热系数比肋片管式换热器平均高出24%,而压降降低26%。此外,在迎面风速增加的情况下,两种换热器的传热系数变化速度基本一致,但肋片管式换热器的压降变化较快。
2.2 换热器结构参数对换热器空气侧性能的影响
2.2.1 百叶窗间距对空气侧性能的影响
图4所示为不同流动方向长度(Fd1<Fd2)下百叶窗间距与换热器流动传热性能的关系。从图中可以看出,流动方向上长度较短时空气侧传热系数略高,而且换热器空气侧传热系数随着百叶窗间距的增大而减小。这是因为百叶窗间距的减小可以使空气侧水力直径减小,使空气流经肋片时的流速增大,从而提高换热器的传热性能。此外,流动方向上长度较短时压降也明显降低,而且压降随着百叶窗间距的增大逐渐减小。因为百叶窗间距增大,百叶窗之间的空气流动阻力也有所减小。
当换热器在相同的扁管宽度、扁管数和迎面风速条件下,在一定范围内减小百叶窗间距可以使空气侧水力直径减小,使空气流经百叶窗肋片时的流速增大,从而提高换热器的传热性能,增加换热器的换热量。同时,百叶窗间距的减小会导致空气侧阻力的增大。
2.2.2 肋片间距对换热器空气侧性能的影响
图5所示为不同流动方向长度(Fd1<Fd2)下肋片间距与换热器流动传热性能的关系。图中,换热器空气侧传热系数与压降都随着百叶窗间距的增大而逐渐减小,这是因为肋片间距较小时,更多的流体从百叶窗间流过,有利于换热,同时空气流速增大,导致摩擦阻力系数增大。
肋片间距不仅直接影响空气侧水力直径,而且还影响空气流动效率。减小肋片间距可以减小空气侧水力直径,还能够提高流动效率,从而提高空气侧的传热系数,对传热是有利的。同时由于减小肋片间距可以增大换热器单位长度的传热面积,使换热器的换热面积增加,换热能力也提高。但减小肋片间距同样会增加空气侧的阻力,这也是在减小肋片间距时需要注意的问题。
2.2.3 百叶窗角度对换热器空气侧性能的影响
图6表示了不同流动方向长度(Fd1<Fd2)百叶窗角度与换热器流动传热性能的关系。如图中所示,随着百叶窗角度在一定范围内增大,换热器传热系数以及压降都随着增大,这是由于百叶窗角度增大时,导向百叶窗处的扰动增大,有利于传热;同时百叶窗角度增大,使得百叶窗高度增加,空气在导向百叶窗处的局部阻力增大,从而使得压降增加。
3 微细通道换热器空气侧性能优化分析
换热器空气侧的强化传热及优化一直是相关研究工作的重点,但是提出一个能通用于各种强化传热技术的方法比较困难。首先,要考虑对流换热过程本身的复杂性、设计流动状态、通道形状以及壁面状况等许多复杂因素;其次,改善换热器性能时,追求的目标不同,这些目标可能有:减小换热面积、缩小换热器体积、增加换热量、耗功或压力损失有所限制等等,而且它们不是相对独立的,只是在不同的场合有所侧重而已。因此,由Yun等人提出了一种强化传热的评价方法:JF综合性能系数法[3]。它的数学表达式如下:
式中 JF为综合性能系数;j和f分别为性能强化后的换热因子和摩擦因子;j0和f0分别为基准换热器的换热因子和传热因子。
从应用角度上讲,这个评价方法更具有实际意义,JF是一个量纲一数,它的值大于1时,表明在相同输送功率下,换热器可以传递更多的热量,值越大,换热器的综合性能越好。
在上述微细通道换热器空气侧流动传热特性分析的基础上,对不同的结构方案进行了优化计算,采用JF综合性能系数来判定优化后的微细通道换热器的综合性能。
改变微细通道换热器的百叶窗间距、肋片间距、百叶窗角度以及迎面风速等参数,确定8组不同的优化组合方案(见表1),分别对优化后的换热器进行数值模拟,得出了优化后换热器的传热系数及JF综合性能系数(如图7所示)。微细通道换热器空气侧的传热系数都比基准换热器有较大的提高,其中4号和5号优化方案的空气侧传热系数较高,这是由于百叶窗间距的减小和迎面风速的提高都能增强空气侧传热系数,但是此种优化形式下,空气侧压降影响较大,换热器的JF综合性能系数较低。6号优化方案的换热器的空气侧传热系数相对较高,JF综合性能系数也有所提高,说明了在这种优化组合形式下,微细通道换热器空气侧流动传热性能优于其他优化组合形式。
4 结语
采用已有的实验关联式,编写计算程序,进行了理论研究。对换热器空气侧的空气流动和换热性能进行了数值模拟,运用该模型对影响微细通道换热器的流动传热特性的各种重要参数进行了研究,得出以下结论:增加换热器空气侧迎面风速、减小百叶窗间距及肋片间距、增加百叶窗角度都能够增强微细通道换热器空气侧传热性能,但是这样使得换热器空气侧的压降也在增大。对影响换热器性能的各种参数进行优化时,需要综合考虑两者的影响,采用JF综合性能系数法能够很好地对优化后微细通道换热器的综合性能进行评价。
参考文献:
[1] Chang Y J, Wang C C. A generalized heat transfercorrelation for
louver fin geometry [J]. Int J HeatMass Transfer, 1997, 40(3): 533-544
[2] Chang Y, Wang C. Air-side performance of brazedaluminum heat
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[3] Yun Jeom-Yul, Lee Kwan-Soo. Influence of designparameters on the
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slit fins [J].Int J Heat Mass Transfer, 2000, 43 ( 14 ):2529-2539
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