换热器的设计
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肋片管换热器管外三维流动与空气侧表面换热模拟点击：2010 日期：[ 2014-04-26 21:57:54 ] |
| 肋片管换热器管外三维流动与空气侧表面换热模拟 陈鹏1、2刘金祥1徐稳龙2陈晓春2杜雪娜2 1·南京工业大学城市建设与安全工程学院2·中国建筑设计研究院建筑节能与新能源工程中心 摘要：利用计算流体力学软件FLUENT对套片式肋片管换热器干工况进行三维数值模拟。改进以往计算方法中的不足，并在模拟过程中考虑肋片管管壁面对肋片的导热引起的肋片表面温度分布场对换热的影响，得出Re在643到3208的范围内肋片管换热器空气侧对流换热系数关联式。比较原有模拟方法中不考虑肋片厚度而将肋片表面简化为等壁温条件与考虑肋片和管壁之间导热条件下的对流换热系数的差异，指出两者的偏差之处。 关键词：数值模拟套片式肋片管换热器换热关联式 0·引言 空调设备中的肋片管换热器肋片形式有矩形肋片、圆形肋片、波纹肋片、条缝肋片等多种。根据加工方法的不同肋片管分为绕片管、串片管和轧片管[1]。目前，对肋片管换热器换热规律的研究主要方法有实验测量法和数值模拟法两种。在利用数值模拟法进行研究时，研究者通常忽略肋片的厚度[2~3]，并假定肋片表面为等壁温的条件，将肋片及肋片管管壁表面设定为相同的温度。这种设定方法在简化了肋片管换热器换热模型的同时与实际的换热过程产生了一定偏差。 由于肋片的表面温度是依靠管壁对肋片的导热所获得，肋片本身并不是内热源（冷热源），因此肋片的温度分布沿导热热流传递的方向上是不断变化的。肋片表面的温度分布状况对于肋片管换热器的换热量有影响[4]。本文考虑肋片与肋片管管壁的导热作用，利用FLUENT软件对空气处理设备中常用的套片式肋片管换热器干工况进行三维数值模拟，并对原有数值模拟法中的不足之处进行改进，比较两种方法计算肋片管换热器空气侧对流换热系数的不同。 1·物理模型 本文研究对象选择为YG型矩形套片式肋片管换热器[5]。肋片片高18 mm，肋片片厚为0.2 mm，肋片间距为2.5 mm，肋片材质为铝；肋片管外径为16 mm，肋片管材质为铜。空气从一侧流入，从另一侧流出，肋片管管壁面设定为10℃，考虑肋片与管壁面的导热。在实际换热过程中，肋片管管壁面温度随着水的温度变化而变化的。水的进出口温度为7℃~12℃。由于肋片管材质为铜，导热性能非常好，可以认为肋片管管壁导热热阻非常小，因此可以假定管壁表面温度为水的进出口平均温度10℃。由于在肋片管换热器空气侧对流换热系数的影响因素中，空气的物理性质对对流换热系数影响非常小，因此虽然不同的肋片管管壁温度会对空气的物理性质产生一定的影响，但是可以认为设定管壁面温度不会对肋片管换热器空气侧对流换热系数产生影响。 2·数值模拟 2.1控制方程 在数值模拟中，作如下假设：①流体在壁面处无滑移；②流动是定常的；③不考虑自然对流和辐射换热的影响；④流体物性随着空气温度的变化作微小的变化。 连续性方程： 2.2网格划分和计算方法 采用有限容积法离散方程，对流项差分格式采用二阶迎风格式，压力梯度项、扩散项均采用二阶中心差分格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法[6]。模型网格划分如图1所示，边界层采用四面体网格，主流区采用六面体网格。计算时共布置158100个网格节点，网格划分采用非结构化网格，近壁面处网格划分较密，壁面采用双层壁面模型进行处理，离开壁面第一排网格的无量纲距离y+≈1。 2.3边界条件 在数值模拟中，设定不同的进口空气温度及速度条件，对肋片管换热器换热状况进行模拟。模拟空气的进口温度从27℃~35℃，温度递增单位为1℃，即每增加1℃模拟一次。在空气处理设备中，空气的流动速度大多处于2~3 m/s之间，考虑变风量空调系统中空气流速的降低，取空气流动速度0.6 m/s即最大风速的20%为最低风速，因此模拟空气流动速度从0.6~3 m/s，速度递增单位为0.1 m/s，即每增加0.1 m/s模拟一次。空气进口温度设定为27℃~35℃基本上涵盖了夏季大部分时间室外的温度状况，具有代表性。肋片管管壁面取等壁温条件，壁面温度取10℃。 套片式肋片管肋片为金属材质铝，导热性能非常好，Bi很小（2.3×10-6~1.1×10-）5，因此可以认为肋片厚度方向上温度很相近因而不存在温度梯度的分布，可以不考虑肋片的厚度引起的温度波动的影响。但是由于数值模拟中必须考虑肋片的导热作用，并且在FLUENT模型中设置对称边界条件必须给定肋片的厚度，因此在模型中取肋片的半壁厚作为肋片的厚度，将肋片外壁面设为对称边界条件。 3·计算结果与分析 研究对象为肋片管换热器的一个单元（如图2~3），空气从两肋片之间狭长空间流入，从另一侧流出，横掠肋片管管壁，肋片管管内流体为水，在模型中考虑肋片管管壁对肋片的导热。为将套片式肋片管分解为若干相同换热单元，取肋片半壁厚为研究对象。 空气通过狭窄流道时的温度场如图4所示，从图中可以看出，随着流程的进展，空气的温度逐渐降低，主流区的温度中间高于两侧，越靠近肋片管管壁温度越低。空气横掠肋片管管表面后在肋片管后方形成绕流，使肋片管管壁面左侧的空气温度比右侧的空气温度高。这在图5的速度场中看得更为明显。空气绕流使肋片管右侧的空气流动速度较低。 肋片表面的温度场如图6所示。肋片表面无设定的温度，由肋片管管壁向肋片导热。由图中可以看出，肋片壁面表面温度场受肋片管管壁温度及空气温度的综合影响。 4·空气流动速度与对流换热系数的关系 4.1对流换热关联式拟合 数值模拟可以获得空气的平均出口温度及壁面平均温度。通过MATLAB软件，拟合出肋片管换热器空气侧对流换热关联式。在全工况的情况下（管外空气Re从643到3208，如图7），拟合换热器空气侧对流换热关联式为： 对流换热关联式中对应的换热面积为肋片管管壁面面积，这样做的优点是将复杂的肋片管换热器外表面换热面积简化为肋片管管壁面积，为换热规律的研究及计算提供方便。因此，本论文中换热关联式中Re均取肋片管管壁表面Re。 拟合过程由于矩阵中数据量庞大，因此拟合出的关联式在少数工况点上容易产生较大的误差。因此，在实际工程使用中，考虑精度要求，把全工况按照Re分成643至1083、1083至2148、2148至3208三个区间进行拟合。拟合出三个不同区间内的换热器空气侧对流换热关联式。经计算检验，各分段拟合换热关联式之间连接性能良好，无跳跃失真的情况。 4.2增强换热系数 实际工程中使用的肋片管换热器，在其生产过程中厂家为增强肋片的对流换热强度，通常会在肋片表面冲压螺纹来强化换热，如冲压出波纹型、条缝型、人字型、双波纹型、波纹条缝型等。由于FLUENT软件不能对肋片表面的粗糙程度进行设定，因此，本文在模拟肋片管换热器表面换热过程时仅以平肋片为研究对象进行模拟计算。考虑肋片表面各种不同的冲压螺纹方式增强肋片管换热器的程度不同，在实际使用中，可以通过在换热关联式右侧增加肋片的强化换热系数来计算实际的肋片管换热器的换热情况。 5·考虑肋片的导热与简化肋片为等壁温的比较 在文献[2~3]中，研究者将肋片作为等壁温的条件代入肋片管换热器的数值模拟计算。这种假设方法的换热机理与实际的换热过程是不太一样的。本文利用数值模拟的方法将相同条件下的两种不同换热器数值模拟方式进行了比较，计算结果表明两者之间存在一定的差异。 5.1物理模型及边界条件 以相同结构尺寸的肋片管换热器为研究对象，对两种不同的物理模型进行计算对比。 模拟肋片导热情况下的换热过程：设定进口空气温度27℃（300K）。模拟空气流动速度由2 m/s递增至3 m/s，速度递增单位为0.1 m/s，即每递增0.1m/s模拟一次。肋片管管壁表面材质为铜，温度设定为10℃（283K）；肋片材质为铝，肋片表面不设定温度，肋片与肋片管表面有导热现象。 模拟肋片为等壁温条件的换热过程：设定进口空气温度为27℃（300K）。模拟空气流动速度由2 m/s递增至3m/s,速度递增单位为0.1 m/s，即每递增0.1 m/s模拟一次。肋片管管壁表面材质为铜，温度为10℃（283K）；肋片材质为铝，肋片表面温度为10℃（283K）。 模拟后，肋片为等壁温条件下的空气温度场如图8，空气速度场如图9。 5.2计算结果 经过模拟计算，两种不同的模拟条件下肋片管换热器对流换热系数如图10。从图中可以看出，在肋片等壁面温度条件下，对流换热系数相比于肋片导热条件下的对流换热系数偏大约20%~25%。因此，肋片壁面温度设定为等壁温条件，计算结果与实际换热情况是有一定差距的。 6·结论 本文通过研究，得出以下结论： 1）利用FLUENT软件模拟了肋片管换热器干工况空气侧对流换热过程，在模拟中考虑肋片管管壁表面对肋片的导热，改变将肋片表面与肋片管管壁面都设定温度的做法。模拟后肋片表面温度场是肋片管管壁温度和空气温度综合影响的结果。 2）拟合出肋片管换热器干工况空气侧对流换热关联式，将肋片管换热器空气侧对流换热关联式分三段拟合，增强准确性。拟合过程中将肋片管换热器复杂的管外面积简化为肋片管管壁面积，简化换热计算。 参考文献 [1]赵荣义,范存养,薛殿华,等.空气调节(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1994 [2]秦宝军.肋片管换热器管外三维流动与传热的数值模拟[J].暖通空调,2006,36(11):11-15 [3]宋富强,屈治国,何雅玲,等.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究[J].西安:西安交通大学学报,2002,36(9):899-902 [4]杨世铭,陶文铨.传热学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004 [5]电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995 [6]王福军.计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004 |
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