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板管式换热器背板温度场和传热研究点击：1926 日期：[ 2014-04-26 22:48:49 ] |
| 陈林辉,田怀璋,王 石,易佳婷,伍志辉 (西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安) 电冰箱等小型制冷装置一般都采用板管式换热器作为其冷凝器和蒸发器.板管式换热器的盘管一般埋在发泡层内,采用铝箔压紧在背板上,通过背板的自然对流和辐射与周围空气发生传热.与其他风冷换热器相比,板管式换热器结构简单,成本低廉,不易损坏,并且没有驱动风扇,因此不仅工作可靠而且噪音低.板管式换热器工作时由于管内工质温度沿着冷凝盘管递减,背板温度不均匀,因此背板传热是非等温自然对流和辐射传热,同时自身也存在导热.小型制冷装置一般采用在板管式蒸发器的背板上安装温控器,通过监测背板某点的温度来控制制冷系统的启停.因此,如何准确计算板管式换热器非等温背板的温度场和传热量对小型制冷系统的仿真优化计算具有十分重要的意义.从公开发表的文献来看,目前对此的研究都未考虑背板的非等温特性,都是将平板视为盘管的翅片,简化成翅片管来计算其传热,从而忽略了背板温度场的计算[1,2]. 本文将通过建立稳态数学模型,对电冰箱所用耦合自然对流、辐射和导热的板管式冷凝器和冷凝管(其结构如图1所示)的非等温背板的温度场和传热进行仿真计算,并通过实验来验证计算的准确性 1 数学模型及求解 1.1 数学模型 本文模型以背板作为控制容积划分对象,划分成带盘管的控制容积和不带盘管的控制容积两类为简化计算,作如下假定: (1)忽略背板在厚度方向的导热,认为平板在厚度方向没有温差; (2)在计算盘管管内侧传热时,按一般翅片管模型计算; (3)忽略背板边缘与周围空气的传热,认为其满足绝热边界条件; (4)若控制容积内有盘管,该控制节点温度由盘管传热决定,反之该控制节点温度由导热决定. 通过上述分析和假定可知,背板传热是一个耦合对流和辐射的二维平板导热问题,满足如下稳态控制方程 1.2 模型离散及求解 将板管式冷凝器的背板根据内节点法划分均匀网格,采用控制容积积分法离散背板的导热方程(1),并将源项作线性化处理[4],可得离散后的二维平板导热控制方程 对于边界节点,根据假定按绝热边界处理.对于有盘管的节点,其温度由盘管传热计算,在计算导热方程时节点温度为已知值,此时可令ａＰ=1,源项ｂ等于迭代初始值,其他系数都为0.经过上述离散处理,可得到平板二维稳态导热的代数方程组.在计算时,首先假定一个导热因子Ｅｃ,按管内工质流动方向计算各盘管所在控制容积节点的温度;然后采用高斯 赛德尔逐次亚松弛迭代求解背板导热代数方程组,迭代收敛判据为所有节点的温度最大相对误差小于10-3;最后判断盘管内工质的总传热量与背板总传热量是否相等,如果不等,调整Ｅｃ,重新计算直至两者相等. 2 实验方法 为验证本文数学模型的可靠性,对图1所示的板管式冷凝器和冷凝管采用热水作为工质进行了传热量和背板温度场实验.板管式冷凝器和冷凝管都安装在电冰箱的箱体上,忽略透过箱体绝热层的漏热.电冰箱箱体按国标ＧＢ/Ｔ8059 2-1995的要求放置.在板管式换热器盘管的进出口处布置一根温差热电偶,测量工质进出口的温差.进口还布置一根热电偶测量工质进口的温度.通过盘管的工质流量采用称重法测量,由此可以计算出换热器的传热量.为测量背板的温度场,在背板垂直方向布置了上中下及靠近底部边缘附近4排(每排3根)共12根热电偶.为减少热电偶引线对背板自然对流边界层的破坏,所有热电偶都沿等温线布置并贴在背板上引出.热电偶为铜-康铜Ｔ型热电偶,测试前在西安交通大学制冷与低温研究所热电偶标定仪上进行了标定,使其分度误差小于0 1℃.热电偶温度信号采用数据采集系统自动测量,并利用热电阻进行实时补偿.测试系统每30ｓ自动采集一轮热电偶的热电势信号,并通过测试软件转换成温度实时显示并保存.在实验中,通过改变盘管内工质的流量和进口温度,测量了板管式冷凝器的流量、温度分别在4～22ｇ/ｓ、40～60℃范围内17个不同工况下的传热量和背板温度场,以及冷凝管的流量、温度分别在8～17ｇ/ｓ、35～50℃范围内6个不同工况下的传热量和背板温度场.为保证测量工况处于稳定状态,每个工况稳定3ｈ后才开始测量.每组工况测量0 5ｈ,然后根据误差原理求取其平均值作为稳定工况的测试结果. 3 计算结果及讨论 3.1 传热量比较图2表示本文模型对板管式冷凝器和冷凝管在不同工况下传热量的预测误差约在10%以内.冷凝管由于传热量小,计算误差约在10%左右.冷凝器在100～300Ｗ的范围内模型预测平均误差在5%以内.这表明本文提出的模型不仅正确而且具有较高的精度,完全能够满足工程设计和校核的需要. 3.2 背板温度场不均匀性讨论 图3表示板管式冷凝器在质量流量为9 36ｇ/ｓ、进口温度为42 8℃工况下背板中间温度场沿垂直方向的变化.图4表示板管式冷凝管在质量流量为9 15ｇ/ｓ、进口温度为38 6℃工况下背板中间温度场沿垂直方向的变化.对冷凝器和冷凝管在23个工况下背板温度场的计算和实验表明,实验中测点温度的计算平均误差约为4 3℃,均方根误差为6 2℃.实验发现,计算误差较大的点一般都是靠近边缘的测点.这是因为模型假定边缘绝热,忽略背板边缘效应之故.略去边缘测点后模型计算的平均误差为2 5℃,均方根误差为3 3℃.这表明模型对背板温度场的计算合理.由图4还可以看出,冷凝器和冷凝管背板温度场在垂直方向很不均匀,因此若将其视为等温平板计算难免引起较大误差. 3.3 背板温度场 采用本文建立的模型对板管式冷凝器(质量流量为6 72ｇ/ｓ、进口温度为53 5℃)和冷凝管(质量流量为9 15ｇ/ｓ、进口温度为38 6℃)的背板温度场进行了计算,如图5所示.可以看出,背板温度不仅在垂直方向不均匀,在水平方向也不均匀,而且背板温度场基本上由盘管的布置形状决定. 3.4 误差分析 由上述分析可知,虽然模型的计算结果与实验值吻合较好,但还存在一定的误差,其来源于实验测量误差和模型所作简化假定引入的误差2个方面.在实验中,温度和温差测量采用的热电偶经标定后分度误差为0 1℃,考虑到采集系统的精度,实验温度和温差测量误差约为0 2℃.流量测量采用称重法测量,而且测量时间较长,误差可以忽略,因此传热量的实验误差较小.由于模型简化假定引起的误差主要来源于:①忽略背板向绝热层的传热;②对非等温背板自然对流传热采用了等温平板自然对流传热局部Ｎｕ的计算公式.由于实验采用的电冰箱箱体在背板背部有75ｍｍ厚的发泡绝热层,因此前者忽略的传热量不到总传热量的5%.后者虽然会导致一定的误差,但不影响对本文模型和求解思路正确性的验证.有关非等温平板自然对流传热的研究将是作者下一步的研究内容. 4 结 论 (1)对耦合导热、对流和辐射的板管式换热器建立了数学模型并进行了计算.模型对板管式冷凝器传热量的预测误差约为5%,对冷凝管传热量的预测误差约为10%,对背板温度场的计算误差约为2 5℃.这表明模型合理,具有较高的精度,能满足工程设计和校核计算的需要. (2)板管式换热器背板温度场不均匀,计算中应考虑其非等温特性. (3)本文对板管式冷凝器和冷凝管的建模和求解思路,可用于耦合导热、自然对流和辐射的非等温平板传热问题. 参考文献: [1] ＢａｎｓａｌＰＫ,ＣｈｉｎＴＣ.Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｏｄｅｌｌｉｎ ｇｏｆｈｏｔ ｗａｌｌｃｏｎｄｅｎｓｅｒｓｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒ ｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉ ｎｇ,2002(22):1601-1617. [2] ＡｌｅｓｓａｎｄｒｏＲ,ＬｕｃａＡＴ.Ｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｈｏｔ ｗａｌｌｃｏｎｄｅｎｓｅｒａｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｉｎｒｅｆｒｉｇｅｒａ ｔｉｏｎａｐｐｌｉａｎｃｅｓ[Ｊ].ＩｎｔＪＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ,1997,21(6):490-502. [3] 埃克特,得雷克.传质与传热分析[Ｍ].北京:科学出版社,1983.555-574. [4] 陶文铨.数值传热学[Ｍ].第二版.西安:西安交通大学出版社,2001.78-99.(编辑 王焕雪) |
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