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管翅式換熱器管路布置優化設計的數值研究

點擊:1625 日期:[ 2014-04-26 21:14:30 ]
                      管翅式換熱器管路布置優化設計的數值研究                          陶于兵  何雅玲   唐連偉  陶文銓 (西安交通大學能源與動力工程學院,動力工程多相流國家重點實驗室,陜西 西安 710049)     摘要:采用分布參數法模型對常見的雙流程管翅式換熱器,在不同的空氣及制冷劑進口狀態下的工作性能進行了數值研究,對管路布置提出了改變不同流程管徑比的優化設計方案,并從數值模擬的角度給出了驗證。數值計算結果表明改變兩流程之間的管徑比可以優化換熱器的換熱性能,而且兩流程的管徑之間存在一個最佳比值 0.8,在該最佳管徑比下,換熱器的換熱性能在不同工況下均比相同管徑提高 6%~11%,同時可以使空氣側的阻力損失減少 2%。     關鍵詞:管翅式換熱器;管路布置;優化設計;數值模擬     中圖分類號:TK 172      文獻標識碼:A       文章編號:1000–6613(2007)06–0893–06       管翅式換熱器在制冷、空調、化工以及工業廢氣冷熱處理、壓縮機中間冷卻等工程領域中有著廣泛的應用。換熱器研制過程要考慮兩方面的問題[1]:一是熱交換器中傳熱過程的強化,二是整體性能要求的提高。對于多流路的翅片管換熱器,制冷劑經過分配流入換熱器的不同流路,在各流路中換熱的均勻性對提高換熱器的整體性能有很大的影響。因此,對多流路換熱器中制冷劑的流路布置進行優化,使各流路換熱均勻是提高換熱器整體性能的一個重要措施。目前對流路的設計,還主要停留在實驗嘗試階段,每一種新的流路設計方案的開發,都需要經過樣機的實驗測試,延長了研發周期,增加了研發成本[2]。     本文針對一種常用的雙流路管翅式換熱器,采用分布參數法模型,通過數值模擬的方法,在空氣及制冷劑不同進口條件下,分析了其換熱性能;并對管路布置進行了優化分析,說明了在雙流程管翅式換熱器中,存在一個最佳流程管徑比。     1 物理模型      圖 1(a)為所研究的管翅式換熱器的外觀結構示意圖,圖 1(b)為空氣及制冷劑的流程示意圖,從圖(b)中可以清楚地看到,經膨脹閥出口的制冷劑分成 a、b 兩個流路進入蒸發器,在管內蜿蜒流動換熱。空氣吹過管外翅片構成的狹縫通道,流動方向與制冷劑的流動方向垂直。換熱器的結構尺寸參見表1。                          該管翅式換熱器沿著空氣流動方向是雙流路布置(a 和 b 兩個流路),在該布置條件下,由于 a 流路空氣的進口溫度較高,空氣和制冷劑間的溫差較大,使流路 a 的換熱效果明顯比流路 b 好。因此,如果兩流路的管徑一致,制冷劑流量在 a、b 兩個流路平均分配,那么很有可能是 b 流路出口尚處于兩相區,而 a 流路出口已經達到了過熱,從而使得兩個流路的換熱不均勻,惡化了換熱器的整體換熱性能。而且,在相同的制冷劑質量流量下,制冷劑在過熱區流動的壓降比兩相區要大,因此,如果在 a流路出現過熱的情況下,a 流路制冷劑的壓降肯定比 b 流路大。為了滿足換熱器在穩定工況下,不同流路制冷劑進出口壓力一致的要求,a 流路中的制冷劑分配量必須小于 b 流路,而這樣的流量分配又會更進一步惡化換熱器的換熱性能。       本文的優化設計思想是:通過減小流路 b 的管徑,使得制冷劑在流路 a 中的分配量大于在流路 b中的分配,從而使換熱器兩個流路的換熱均勻,換熱性能得到優化;同時由于流路 b 的管徑較小,可以保證其在較小的流量下仍然具有同流路 a 相同的壓降,滿足不同流路制冷劑進出口壓力一致的要求。但是,隨著流路 b 的管徑進一步減小,主要的制冷劑流量都分配到了流路 a,這樣會出現流路 a 的出口仍在兩相區,而流路 b 的出口已經過熱,再次出現換熱不均勻現象,使換熱性能惡化,因此,兩流路管徑之間存在一個最佳比值,在該比值下換熱器可以達到最佳的換熱性能。本文對該優化方案進行數值驗證。                        2 數學模型     2.1控制方程    對換熱器使用分布參數法模型,采用熱力學分析的方法,將計算過程轉化為在劃分的計算單元內求解傳熱方程和熱平衡方程,并補充求解經驗關聯式,從而得到換熱器的性能參數。取計算單元如圖2 所示。                           在編寫數值模擬程序時做了如下假設:     (1)每個單元當作一個獨立換熱器處理;     (2)忽略管壁熱阻;     (3)忽略空氣中水蒸氣凝結的影響,換熱器表面當成干表面處理。     基于上述假設,對于一個給定的換熱單元,可以得到如下控制方程。     空氣側能量平衡方程                        在上述控制方程的基礎上,結合空氣及制冷劑進口邊界條件(通常采用直接給定入口溫度及其他相關物性參數的第一類邊界條件),即可開展換熱器性能的模擬計算。然而要確定傳熱方程中的傳熱系數k 以及空氣和制冷劑的出口壓力,需要預先知道空氣及制冷劑側的換熱和阻力系數,因此需要選定相關的實驗關聯式。     2.2  換熱及壓降關聯式     2.2.1 空氣側     對管翅式換熱器 Wang[3]曾經做過大量的實驗研究,并得出了具有較高預測精度的換熱及壓降實驗關聯式,本文選用 Wang 關聯式                       2.2.2 制冷劑側     制冷劑在蒸發器內的換熱伴隨著相變過程,因此在制冷劑側的換熱和流動分成兩相區與過熱區兩個區域。     對于過熱區,采用 Dittus-Boelter[5]換熱關聯式來計算換熱系數                                           關聯式的具體說明可參見相關參考文獻,這里為了內容簡潔,將不作詳細描述。     3 模擬結果及討論     作者自主開發了換熱器的數值模擬程序,對換熱器在不同的空氣及制冷劑進口狀態下的工作性能進行預測,同時也可以為換熱器的優化設計提供數值驗證。為了驗證數學模型及模擬程序的可靠性,本文先對管帶式換熱器進行了模擬計算,并將模擬0結果同實驗結果進行了對比,如圖3所示。從圖3中可以看出模擬結果同實驗結果符合良好,換熱量的最大偏差小于 8%,壓降的最大偏差小于 7%。經過分析可以發現,模擬的偏差主要是由于實驗關聯式本身的偏差引起的,現有的實驗關聯式的偏差通常都在±10%左右。      下面對本文研究的管翅式換熱器進行模擬分析,計算的額定工況如表 2 所示。在計算過程中,每次只改變其中一個參數,分析在該參數變化條件下,換熱器兩流程的不同管徑比對換熱性能的影響。同時為了便于說明,約定d2代表流路b的銅管管徑,而d1代表流路a的銅管管徑。                                       圖4是在不同空氣流量下,換熱器的換熱和阻力性能曲線。在圖 4(a)中,換熱器的換熱量隨著空氣流量的增加而增加,開始時增加較大,然后增加趨勢減小。這主要是因為換熱器的迎風面積不變,空氣流速隨著流量的增加而增加,而隨著流速增加空氣側的換熱系數也在逐漸增加,但增加趨勢逐漸減緩。在不同的空氣流量下都存在一個最佳的兩流程管徑比 d2/d1=0.8,可以使空氣流量在 200 m3·h-1、228.38 m3·h-1、250 m3·h-1這3 種工況下的換熱器的換熱性能分別比相同管徑下提高 10%、11%和 7%。同時從圖 4(b)可以看到空氣流量的增加,加快了空氣流速,使空氣側的壓降也在增加,而且壓降還隨著管徑比的增加而增加,在最佳管徑比 0.8 的條件下,空氣阻力比相同管徑下小 2%。                          圖 5 是不同空氣進口溫度下,換熱器的換熱性能曲線,由于空氣的進口溫度對空氣側壓降的影響較小,這里不再討論壓降的變化關系。空氣的進口溫度越高,空氣和制冷劑之間的換熱溫差就越大,換熱器的換熱效果也越好,因此,換熱器的換熱性能隨空氣進口溫度的增加而增加。而且在不同空氣進口溫度下,同樣有一個最佳的管徑比在 0.8 左右,在該最佳管徑比下可以使空氣進口溫度為 25℃、27℃、29 ℃,3 種工況的換熱性能分別提高 8%、11%和 7%。      圖 6是不同制冷劑進口溫度(蒸發溫度)條件下換熱器的換熱器性能隨管徑比的變化關系。隨著蒸發溫度的提高,一方面空氣和制冷劑之間的溫差減小,另一方面制冷劑的潛熱換熱量也減小,因此造成換熱器換熱性能隨蒸發溫度的升高而降低。在不同制冷劑進口溫度下,同樣存在一個最佳管徑比,而且最佳管徑比同樣在 0.8 左右,可以使蒸發溫度分別在 1 ℃、3 ℃、5 ℃,3 種制冷劑進口溫度下的換熱性能比相同管徑條件下分別提高 7%、11%和 9%。      圖 7 是在制冷劑不同進口干度條件下,換熱器換熱性能曲線。隨著制冷劑進口干度的增加,制冷劑的潛熱換熱量減小,換熱器換熱性能也逐漸減小。在不同制冷劑進口干度條件下,仍然存在最佳管徑比 0.8,使得換熱性能在 0.2、0.246、0.3,3 種制冷劑不同進口干度下,比相同管徑分別提高 9%、11%和 7%。                                         圖8是制冷劑不同質量流量下的換熱器性能曲線。隨著制冷劑流量的增加,制冷劑的流速及潛熱換熱量都在增加,因此換熱器換熱性能隨著制冷劑的質量流量的增加而增加。在不同的質量流量下,換熱性能同樣隨管徑比的增加,先增加再減小,存在一個最佳管徑比為 0.8。在該最佳值條件下,對應制冷劑流量為 0.46 kg·m-1、0.5 kg·m-1、0.55 kg·m-1, 3 種工況換熱性能比相同管徑分別提高 11%,9%和6%。    通過以上的計算分析,可以看出在不同的制冷劑及空氣進口條件下,對換熱器的換熱性能來說,都存在一個最佳管徑比,因此證明本文先前提出的優化設計思路及設計方案的正確性。                       4 結 論     針對一種雙流路布置的管翅式換熱器,采用分布參數法模型,開發了數值計算程序,并對換熱器在不同工況下的工作性能進行了分析。提出了改變不同流路管徑比的管路布置優化方案,并從數值計算的角度給出了驗證,得到結論如下。     (1)換熱器的換熱性能隨著空氣流量、空氣進口溫度、制冷劑流量的增加而增加;隨著蒸發溫度、制冷劑進口干度的增加而減小。     (2)在各種工況下,都存在最佳流路管徑比,本文計算得到的最佳管徑比在 0.8 左右,在該管徑比下可以使換熱器的換熱性能比相同管徑下提高6%~11%,同時空氣側的阻力減小 2%。     (3)對于多流程換熱器,應當適當調整制冷劑在各流程間的流量分配,盡可能使得各流程換熱均勻。而改變不同流程的管徑比,可以有效地調整制冷劑在各流程間的分配,從而使換熱器的整體換熱性能得到較好的優化。
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