新型管翅式换热器的ＣＦＤ分析及实验验证

点击：2221 日期：[ 2014-04-26 22:13:54 ]

新型管翅式换热器的ＣＦＤ分析及实验验证１刘小芳２钟宇（１．安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２；２．广东美的制冷设备有限公司，广东佛山５２８３１１）摘要：对一种椭圆扁管管翅式换热器与一种圆管管翅式换热器的换热性能进行ＣＦＤ数值分析，分析表明，在相同风速下，椭圆扁管管翅式换热器具有更高的性能与成本优势，实验也证实了这一结论。关键词：空调器；换热器；ＣＦＤ中图分类号：ＴＦ７０１．２文献标识码：Ａ随着人们对节能的日益重视，椭圆管换热设备在现代工业中得到越来越广泛的应用，很多学者对其换热及流动特性进行了研究［１－４］。翅片管式换热器以其众多的优点在空调器中被广泛应用，多年以来，日本一直走在翅片管式换热器强化换热的前沿，同时内螺纹管以及冲缝片管的应用也使换热器效率得到提高。尽管人们很早就对椭圆管束的换热及流动特性进行研究，但由于椭圆管制造困难及承压能力较低，在工程上并没有得到发展。近年来，椭圆管、波纹管及其它低阻力管形在换热器中的应用越来越广泛［５］，但在家用空调器行业中还没有应用的例子，最近众多空调器生产企业正对椭圆扁管管翅式换热器进行研究，以寻找更高性能和低成本的换热器方案［６］。通过对一种椭圆扁管管翅式换热器与一种圆管管翅式换热器的换热性能进行ＣＦＤ数值分析，并经测试样机，结果证明了ＣＦＤ的数值分析结果。１物理数学模型研究的目标机型是某公司一款分体落地式空调器的冷凝器，为圆管管翅式换热器冷凝器、椭圆扁管管翅式换热器冷凝器，以及由一排圆管胀管高８３０ｍｍ和一排圆管胀管高３８５ｍｍ的冷凝器结合在一起，折合为１．４６排高８３０ｍｍ的胀管圆管管翅式换热器冷凝器。圆管管翅式换热器的圆管直径为１０ｍｍ，翅片宽为２２ｍｍ，管间距为２５．４ｍｍ，翅片厚０．１０５ｍｍ，单排如图１所示、双排如图２所示。椭圆扁管管翅式换热器的翅片宽为２２ｍｍ，管间距为１７ｍｍ，翅片厚０．１２５ｍｍ，片距１．４ｍｍ，椭圆扁管截面图如图３，４所示。文中模拟单排圆管、双排圆管以及单排扁管换热器，合理利用边界条件中的周期性边界、对称性边界，３种翅片的计算模型简图如图２￣４。圆管８２ｇ／ｍ，扁管５８ｇ／ｍ。ｋ方程： ε方程：方程组中系数ｃ１，ｃ２，ｃ" 及常数 &’， &! 根据近年的文献报道，它们的取值已经比较一致：ｃ１＝１．４４；ｃ２＝１．９２；ｃ" ＝０．０９； &’＝１．０； &!＝１．３。模拟的边界条件：（１）来流速度分别为１，１．５ｍ／ｓ，温度为３０８Ｋ；（２）管面温度恒定为３２３Ｋ，翅片温度采用耦合；（３）流体的物性参数为常数，不随温度发生变化；（４）采用ｋ－ ε模型。２模拟结果与实验验证每个换热单元的模拟结果如表１。计算结果表明，在１ｍ／ｓ风速下，双排圆管的单元换热量比单排的提高了１６％，在１．５ｍ／ｓ风速下，双排圆管的单元换热量比单排的提高了２３％，在１ｍ／ｓ风速下，双排扁管的单元换热量比单排的提高了１０％，在１．５ｍ／ｓ风速下，双排扁管的单元换热量比单排的提高了２０％。从每个单元的换热量看，扁管的小于圆管的，因为每个扁管单元的面积比圆管的约小３３％。以标准的设计迎面风速１．５ｍ／ｓ，计算１．４６排圆管换热器在模拟工况下的换热量，计算公式为：式中：Ｑ－圆管换热器总换热量；Ｎ１，Ｎ２－圆管换热器单排与双排的单元数；ｎ１，ｎ２－单排与双排圆管换热器每个翅片单元数，这里均为４８；ｑ１，ｑ２－单排与双排圆管换热器单元换热量；ｈ１，ｈ２－单排与双排圆管换热器胀管高度；ｄ－圆管的直径。单排扁管换热器在模拟工况下的换热量计算公式为：式中：Ｑ－单排椭圆扁管换热器总换热量；Ｎ－单排椭圆扁管换热器单元数；ｎ－单排椭圆扁管换热器每个翅片的单元数，这里为７２；ｑ－单排椭圆扁管换热器单元换热量；ｈ－单排椭圆扁管换热器胀管高度；ｄ－椭圆扁管的当量直径。１．４６排圆管换热器总换热量在风速为１．０，１．５ｍ／ｓ时分别为８２２１，１１１６２Ｗ；单排扁管换热器总换热量在风速为１．０，１．５ｍ／ｓ时分别为８３３１，１１２９５Ｗ。可见，单排扁管换热器比１．４６排圆管换热器的换热能力好。改变边界条件，模拟在极恶劣的工况下，１．４６排圆管换热器与单排扁管换热器在风速１．５ｍ／ｓ时的换热能力，进风温度３２１Ｋ，管子表面温度３３８Ｋ，采用相同的步骤，每个换热单元的模拟结果：圆管、扁管的单排单元换热能力分别为０．４０７１８７６，０．５３８７６４２Ｗ；双排单元换热能力分别为０．２８７７７８，０．４２８７５６３Ｗ。１．４６排圆管换热器总换热量为１１６６６Ｗ，相对量为１００％；单排扁管换热器总换热量为１２２８７Ｗ，相对量为１０５．３％。由此可见，在恶劣的工况下，单排扁管换热器的性能比１．４６排圆管换热器高。模拟的两种不同冷凝器，匹配整机，测试标准制冷工况（内侧干湿球温度：２７ ℃／１９ ℃，外侧干湿球温度３５ ℃／２４ ℃）以及自定义的恶劣工况（内侧干湿球温度：３２ ℃／２３ ℃，外侧干湿球温度４８ ℃／３４ ℃），对比测试结果表明，在研究的目标机型上，单排扁管换热器比１．４６排圆管换热器具有更优越的换热性能，在标准制冷工况下，扁管换热器样机的换热能力以及ＥＥＲ均高于对比样机，在自定义的恶劣工况下优势更明显。另外单排扁管换热器可以减少冷媒充注量以及铜的用量，成本大幅下降，实验结果也证实了模拟结果的可信性。图５冷凝器变流路设计３冷凝器流路设计冷凝换热器流路采用多进一出的变流路设计，在流路设计中，刚进入冷凝器的制冷剂呈气态，比容较大，需要更多管数，随着制冷剂逐渐冷凝成液体，比容减小，需要的管数也可以相应减小。变流路设计既能保证冷凝器制冷剂侧流动阻力较低，又能保证制冷剂在冷凝器两相区的后半段和过冷段有较高的流速和换热系数，明显提高总传热性能。这种变流路设计使冷凝器有效容积得到合理的应用，及制冷剂的流动和冷凝器的换热更加合理。考虑到不同制冷能力下的制冷剂流量，２４０钣金冷凝器采用图５（ａ）所示的变流路设计，３３０钣金冷凝器采用图５（ｂ），（ｃ）所示的变流路设计。图５（ｂ）流路的优点是没有有害传热，不存在分流不均问题，实验的结果也比较理想（见表２的方案１），但这种设计工艺比较复杂，多采用约１．３ｍ的φ＝１６ｍｍ铜管，光物料成本增加约５０元，降低了性价比。图５（ｃ）流路成本没有增加，传热效果却较理想（表２的方案２）。４结论在国标规定的标准制冷工况和自定义的恶劣工况下对一种椭圆扁管管翅式换热器与一种圆管管翅式换热器的换热性能进行了ＣＦＤ数值分析，经实验验证表明，在相同风速下，椭圆扁管换热器具有更好的换热性能与成本优势。参考文献：［１］茹卡乌斯卡斯Ａ．换热器内的对流传热［Ｍ］．北京：科学技术版社，ｌ９８６．［２］张各平，裴威，刘洁．流体绕流椭圆管束流阻特性的数值模拟［Ｊ］．淮海工学院学报（自然科学版），２００４，１３（４）：２４－３０．［３］张智，涂旺荣，韩蔚，等．空调用冷凝器中的空气流动与传热分析［Ｊ］．制冷技术，２００２（１）：１３－１９．［４］陶文铨．数值传热学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，１９９８．

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