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哈雷釬焊板式換熱器
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氣流非均勻分布時百葉窗翅片式換熱器性能仿真

點擊:1920 日期:[ 2014-04-26 21:35:16 ]
                  氣流非均勻分布時百葉窗翅片式換熱器性能仿真                          海瑛1,陳敬虞1,李文貴2     (1.嘉興學院機電工程分院,浙江嘉興314001;2.浙江嘉興雙能冷卻器有限公司,浙江嘉興314001)     摘要:針對百葉窗翅片式換熱器傳熱和流動性存在的問題,在風洞試驗臺上,對兩種不同結構(單、三排管)換熱器進行了試驗,測量了非均勻來流條件下流動和傳熱的相關值,采用分布參數模型,由威爾遜網格法確定出了翅片的傳熱關聯式;同時結合數值仿真的方法,研究了氣流非均勻分布對換熱器換熱性能的影響,結果表明:非勻流時總的換熱系數會下降8.2%。將模擬結果與試驗值進行了比較,兩者基本吻合,說明仿真程序代碼可用作高效換熱器的設計工具。     關鍵詞:換熱器;氣流非均勻分布;試驗;數值模擬     中圖分類號:TK121;TH122文獻標志碼:A文章編號:1001-4551(2011)09-1068-05     0·引言     百葉窗翅片管換熱器以其高效性和緊湊性已經在制冷空調、汽車及航空航天、動力機械(如:發電機的空氣冷卻器)等方面獲得廣泛的應用。研究者一直致力于其性能的改進。換熱器工作時,冷卻水在管內流動,空氣從管外翅片間的通道內流過,并通過翅片和管壁與管內的介質進行熱交換。由于換熱器結構和風機在不同截面產生的壓力點不一致等原因,使得進口通道處均勻的氣流進入換熱器后變得不均勻,非均勻氣流會降低換熱器的傳熱效率,增加空氣側的熱阻,其阻值占到了整個傳熱過程熱阻的80%~90%[1]。Domanski建立了平直翅片的換熱模型,發現風速的非均勻分布會引起制冷劑側流量的非均勻分布,從而引起蒸發器性能顯著降低[2];且非均勻氣流的強度越大,換熱效能的損耗也越大。Chwalowski等運用不同的方法預測了空冷器的性能,并和試驗數據進行了比較;研究指出,為了使預測數據更為準確,仿真中引入的風速曲線分布情況必須與實際的氣流分布相吻合。由Domanski編寫的程序已被Chwalowski等用來分析單排管情況下,同一蒸發器在5種風速分布下的性能,結果表明風速非均勻分布引起的換熱量衰減達30%[3]。本研究將采用單元網格法,利用仿真技術研究單排和三排管在氣流非均勻分布情況下,換熱器的換熱性能,以得到其預測模型,并通過試驗對模型進行了驗證。     1·算法設計     1.1換熱器描述     本研究中的換熱器采用一種改進且標準的傾斜百葉窗翅片。本研究分析的百葉窗的主要結構參數及含義如圖1、表1所示。換熱器由21根U形管組成,每管長1.15 m,21根管列為3排,每排為7根管子。每管長1.15 m,分3排以交錯矩陣排列,如圖2所示。       1.2計算模型     在換熱器換熱特性仿真研究過程中,本研究使用C++語言,以換熱器的每根換熱管為研究對象,沿管長方向將其劃分成1 000個微元,計算時對于每根換熱管,從水進口到出口,順次進行微元的計算,沿管內水流經的順序對每根換熱管依次進行計算,從而完成了整個換熱器的計算。另外計算是對分離的管排數進行的,且第1排的出口狀態是第2排的進口狀態。對于叉排情況,則由兩個垂直微元的平均值算出。這樣,仿真就可以在已知結構參數和進口等工況參數情況下,計算并輸出空氣出口狀態、水出口狀態及其他熱工性能,如圖3所示。                  在建立計算模型時,引入如下假設:①穩定工況;②氣側,進入換熱器第1排(翅片)的空氣流速的分布和其他排相同;③水側,忽略翅片管U型彎管處的換熱。     對于單排管傳熱的計算使用效能-傳熱微元數(ε-NTU)的方法。由于溫度的變化,物性也隨之改變,初始值需做反復修正。管內傳熱系數的計算采用Gnielinski關聯式。初步的測量結果表明,現有百葉窗翅標準的關聯式無法準確預測傳熱情況。因此,下面的分析中將使用威爾遜網格法,確定一個新的關聯式,并用于仿真計算。為了確定水路壓降,垂直段的摩擦系數采用Gnielinski關聯式[4]。在U型彎處壓降,采用Ita關聯式。在確定每個網格的來流速度時,本研究將整個計算視為逆流過程,并在換熱器中使用風速儀,采取試驗方法在節點距離為5 cm×5 cm的網格上進行測量,每個網格四邊中點位置為測點。微元角點的空氣流速可用線性插值法算出。假設管壁處流速為零;近壁區,形成層流邊界層,可使用層流邊界層模型確定速度分布圖和邊界層厚度。臨近管壁邊界層的層流網格角點上,其空氣速度是通過外邊界層的平均值進行估算的。對于輸入的空氣流速是由微元格4個角的流速平均值確定的。該算法因考慮了層流等要素,所以有較高的計算精度。同時邊界層模型的增加,確保了仿真速度分布圖與實測速度分布圖相吻合。     2·試驗測量     2.1試驗裝置     為了驗證仿真模型的正確性,本研究在一個開放式風洞試驗臺上進行了試驗,風量調節是由變頻風機實現的,風量的測量是由標準的噴嘴組合完成。試驗裝置如圖4所示。                  空氣的進口溫度采用4個K型熱電偶進行測定,如圖4中T所示。出口溫度的測量是20個K型熱電偶安裝在可移動橫桿上,通過測量每個管子的溫度(垂直上下移動橫桿),以得到整體的平均溫度。這種測量方法的構想,是為了獲得非勻流的影響。當空氣質量流量保持不變時,勻流和非勻流的分布從管的出口溫度就可看出;其中在均勻來流時,各管出口溫度差別較小,而在非均勻來流時,各管出口溫度差別較大。     熱電偶標定后的精度為±0.1 K。測量在穩態條件下進行,測量中,進水溫度的變化為±1℃。水路溫度由同一個PID控制器進行設定和控制。水流量采用流量計測量,流量計的精度為0.25%。空氣的流量采用標準噴嘴測量,試驗試件前后壓差的測量采用精度為0.4%差壓變送器測量。為了確定來流的分布,局部流速采用熱球式的氣體流速儀測量。平均流速采用標準的機械測量裝置測量,周期設為1 min。     2.2試驗結果與分析     2.2.1換熱效率     試驗數據的采集是在工況穩定后進行的,在水側(通道內),可測出進口和出口溫度及質量流速。空氣側,可用平均進口溫度、質量流速、平均出口溫度等參數確定傳熱性能。大多數傳熱率低于3%,測量的傳熱率平均不確定性為2.5%,測量差值大于3%則被舍去。換熱器的換熱效率采用下式:          2.2.2傳熱系數     對于叉流與非混合流動的熱換器(單排管或三排管),本研究使用ε-NTU法,就可計算出NTU的值。由此導出總傳熱系數U,如下:          為了使用這些近似值確定翅片的效率,翅片的半徑必須是已知的。當管子叉排時,連續翅周邊可看成六邊形微元。對于單排測量時,主排管通道接收熱水。由于翅片為固定的長方形(3.6 cm寬,2.1 cm高),翅片高度與翅片寬度之比小于1,可用Zeller和Grewe的方法[6]確定其等效范圍。對于三排管測量,可用施密特的方法(2.1 cm高1.2 cm寬翅片)進行計算。對于百葉窗翅片,Perrotin和Clodic[7]認為施密特分析的近似圓形翅片的翅片效率高估出近5%。這是因為波紋可以通過翅片改變傳導路徑。不過,現有文獻中還沒有更有效的翅片效率逼近法,因此,Zeller、Grewe和施密特的關聯式還被廣泛使用。     不同管之間,在低雷諾數時,由供水線路引起的水的溫差更大(高達7.5℃)。在目前的文獻中,對于翅化效率的計算大都沒有考慮這些差異,因此沒能很好地解決此類問題。本研究用式(3)翅片效率計算空氣側的對流換熱系數,采用無量綱傳熱因子j和Re(雷諾數)表示:          如上所述,本研究實現了兩種不同的測量,其結果將單獨說明。首先,在非勻流條件下,對空氣側進口的質量流速進行了大量測量,以確定空氣側的傳熱表達式。其次,構建了三排管的非均勻流情況,并進行了傳熱性能的測量,對測出的迎面空氣流速和仿真結果進行了比較,從而驗證了仿真程序的正確性。     2.2.3單排管和三排管的測試結果與數值仿真結果比較     在測量中,氣側的雷諾數值Re在330~1 350之間(實際工況的雷諾數范圍為450~900),對于單排管共設置了50個數據采集點。其結果表明:水側、氣側預測的平均值與測量值的最大相對誤差是1.6%。同時熱導率的實測值與仿真值的誤差,水側是3.6%,氣側是5.3%,氣側大的測量誤差主要由測量技術引起,其中橫桿移動的錯誤定位是主要原因。另外當Re<1 000時,第1排管的換熱性能大于其他管子;當Re>1 000時,由于漩渦的脫落,第1排管的換熱性能略低于其他管子,管排數對傳熱因子j等影響較小。所以將關聯式分為雷諾數Re低于1 000和高于1 000兩種情況,Re大于1 000,則由關聯式預測的單排管和三排管情況基本相同。三排管在非勻流情況下,共設置了21個數據采集點,其預測關聯式同單排管。其結果表明熱導率的實測值與仿真值的相對誤差為:水側3.6%、氣側6.4%。     2.2.4氣流非均勻分布時換熱器實驗結果與仿真結果對比實例     為了驗證仿真程序的有效性,本研究對三排管氣流非均勻分布情況進行測試。在測量中,為了得到非均勻來流,本研究將多孔板(孔徑為1 mm)放在風扇和沉降室中間,因為通道是矩形的,引入5個分流器放在沉降室(圖4的第5部分)前面,以防止流體分離;然后,通過關閉一個或多個這樣分離的通道,就可以得到非均勻來流。其中,風速是沿X軸截面方向從左到右分布的,在與均勻來流分布相同質量流的情況下,通過關閉壓降室6個進氣道的其中兩個(圖4的第5部分頂部兩個通道),通道內就會有氣流的線形分布情況出現;本研究以同樣的方式,關閉頂部和底部各一個通道,就可得到拋物形氣流分布情況;測量結果如圖5所示,圖中線性來流分布的雷諾數Re為825。                  換熱器換熱性能實測與仿真值的比較結果如圖6所示。曲線顯示了不同氣流分布時溫度的變化情況(曲線從頂部開始)。圖6中,筆者選定管內熱水流向自右至左,而空氣非均勻性是從左到右的,因此最高質量流量和傳熱會出現在左邊。本仿真使用的網格法如Chwalowski的方法一樣可對氣流速度進行準確的預測。邊界層模型對近壁溫度的影響,也可以在圖6中看出。兩種情況下,氣側氣溫的平均值幾乎是相同的。所以,如果只利用平均值,非勻流情況就可能漏測。這再次強調實際的溫度測量必須要檢測進口流量非均勻性。其中,非均勻的氣流分布會影響傳熱系數U,相對于均勻的氣流分布情況,非均勻氣流時線形的氣流分布換熱系數會下降8.2%,拋物線的氣流分布換熱系數會下降3.6%。這說明在氣流偏差(偏離平均風速)相同的條件下,氣流線性分布較拋物線分布換熱量降低更多。另外,由于熱電偶準確定位的困難,造成圖中兩相鄰點的溫度差值較大,所以測量技術還需改進。                  最后,將實測溫度分布與仿真結果比較后,筆者發現誤差較小。水側和空氣側在氣流不均勻情況下,用仿真預測的熱導率比實測值稍高一些,原因是測量的空氣流速變化無常。所以此部分的研究有待進一步的完善。     3·結束語     本研究介紹了試驗裝置,并測量驗證了氣流非均勻分布對換熱效率的影響情況。結果表明,非勻流時總的換熱系數U會下降8.2%,并強調在風洞中測量翅片管換熱器的相關性能參數時,需要有均勻的來流做保證。其次確定了百葉窗翅片管的熱傳導關聯式。為了優化換熱器的設計,基于分布參數模型,開發了非勻流情況下的仿真程序,并利用相應的試驗數據進行了驗證。考慮到管壁細紋溝的存在,仿真程序采用了邊界層模型。仿真結果表明,仿真與試驗數據的最大相對誤差為5.15%,說明仿真與試驗值基本一致。     參考文獻:略
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