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新型管翅式換熱器的 CFD分析及實驗驗證

點擊:1634 日期:[ 2014-04-26 22:13:54 ]
                             新型管翅式換熱器的 CFD分析及實驗驗證                                        1劉小芳  2鐘 宇 (1.安徽工業大學 冶金與資源學院, 安徽 馬鞍山 243002; 2.廣東美的制冷設備有限公司, 廣東 佛山 528311)     摘要:對一種橢圓扁管管翅式換熱器與一種圓管管翅式換熱器的換熱性能進行 CFD 數值分析, 分析表明, 在相同風速下, 橢圓扁管管翅式換熱器具有更高的性能與成本優勢, 實驗也證實了這一結論。     關鍵詞: 空調器; 換熱器; CFD     中圖分類號: TF701.2    文獻標識碼: A      隨著人們對節能的日益重視, 橢圓管換熱設備在現代工業中得到越來越廣泛的應用, 很多學者對其換熱及流動特性進行了研究[1-4]。     翅片管式換熱器以其眾多的優點在空調器中被廣泛應用, 多年以來, 日本一直走在翅片管式換熱器強化換熱的前沿, 同時內螺紋管以及沖縫片管的應用也使換熱器效率得到提高。盡管人們很早就對橢圓管束的換熱及流動特性進行研究,但由于橢圓管制造困難及承壓能力較低, 在工程上并沒有得到發展。近年來,橢圓管、波紋管及其它低阻力管形在換熱器中的應用越來越廣泛[5],但在家用空調器行業中還沒有應用的例子,最近眾多空調器生產企業正對橢圓扁管管翅式換熱器進行研究,以尋找更高性能和低成本的換熱器方案[6]。      通過對一種橢圓扁管管翅式換熱器與一種圓管管翅式換熱器的換熱性能進行 CFD數值分析,并經測試樣機,結果證明了CFD的數值分析結果。     1 物理數學模型     研究的目標機型是某公司一款分體落地式空調器的冷凝器,為圓管管翅式換熱器冷凝器、橢圓扁管管翅式換熱器冷凝器,以及由一排圓管脹管高 830mm和一排圓管脹管高 385mm的冷凝器結合在一起,折合為1.46排高 830mm的脹管圓管管翅式換熱器冷凝器。圓管管翅式換熱器的圓管直徑為 10 mm,翅片寬為 22mm,管間距為 25.4 mm,翅片厚 0.105mm, 單排如圖 1 所示、雙排如圖 2 所示。橢圓扁管管翅式換熱器的翅片寬為 22 mm,管間距為 17 mm,翅片厚 0.125 mm, 片距 1.4 mm, 橢圓扁管截面圖如圖 3, 4 所示。     文中模擬單排圓管、雙排圓管以及單排扁管換熱器, 合理利用邊界條件中的周期性邊界、對稱性邊界, 3種翅片的計算模型簡圖如圖 2 ̄4。     圓管 82 g/m, 扁管 58 g/m。                                        k 方程:     ε方程:      方程組中系數 c1,c2, c" 及常數 &’, &! 根據近年的文獻報道, 它們的取值已經比較一致: c1=1.44; c2=1.92;c" =0.09; &’=1.0; &!=1.3。      模擬的邊界條件:( 1) 來流速度分別為 1, 1.5 m/s, 溫度為 308 K;( 2) 管面溫度恒定為 323 K, 翅片溫度采用耦合;( 3) 流體的物性參數為常數, 不隨溫度發生變化;( 4) 采用 k- ε模型。      2 模擬結果與實驗驗證      每個換熱單元的模擬結果如表 1。   計算結果表明, 在 1 m/s 風速下, 雙排圓管的單元換熱量比單排的提高了 16%, 在 1.5 m/s 風速下, 雙排圓管的單元換熱量比單排的提高了 23%, 在 1 m/s 風速下, 雙排扁管的單元換熱量比單排的提高了 10%, 在1.5 m/s 風速下, 雙排扁管的單元換熱量比單排的提高了 20%。從每個單元的換熱量看, 扁管的小于圓管的,因為每個扁管單元的面積比圓管的約小 33%。     以標準的設計迎面風速 1.5 m/s, 計算 1.46 排圓管換熱器在模擬工況下的換熱量, 計算公式為:                   式中: Q- 圓管換熱器總換熱量; N1,N2- 圓管換熱器單排與雙排的單元數; n1,n2- 單排與雙排圓管換熱器每個翅片單元數, 這里均為 48; q1, q2- 單排與雙排圓管換熱器單元換熱量; h1,h2- 單排與雙排圓管換熱器脹管高度; d-圓管的直徑。     單排扁管換熱器在模擬工況下的換熱量計算公式為:        式中: Q- 單排橢圓扁管換熱器總換熱量;N- 單排橢圓扁管換熱器單元數;n- 單排橢圓扁管換熱器每個翅片的單元數,這里為 72;q-單排橢圓扁管換熱器單元換熱量;h-單排橢圓扁管換熱器脹管高度;d-橢圓扁管的當量直徑。       1.46 排圓管換熱器總換熱量在風速為 1.0, 1.5 m/s 時分別為 8221, 11 162 W; 單排扁管換熱器總換熱量在風速為 1.0, 1.5 m/s 時分別為 8331, 11 295 W。      可見, 單排扁管換熱器比 1.46 排圓管換熱器的換熱能力好。       改變邊界條件, 模擬在極惡劣的工況下, 1.46 排圓管換熱器與單排扁管換熱器在風速 1.5 m/s 時的換熱能力, 進風溫度 321 K, 管子表面溫度 338 K, 采用相同的步驟 , 每個換熱單元的模擬結果: 圓管、扁管的單排單元換熱能力分別為 0.407 187 6, 0.538 764 2 W; 雙排單元換熱能力分別為 0.287 778, 0.428 756 3 W。1.46排圓管換熱器總換熱量為 11 666 W, 相對量為100%; 單排扁管換熱器總換熱量為 12 287 W, 相對量為105.3%。       由此可見, 在惡劣的工況下, 單排扁管換熱器的性能比 1.46 排圓管換熱器高。       模擬的兩種不同冷凝器, 匹配整機, 測試標準制冷工況( 內側干濕球溫度: 27 ℃/19 ℃, 外側干濕球溫度35 ℃/24 ℃)以及自定義的惡劣工況 ( 內側干濕球溫度: 32 ℃/23 ℃,外側干濕球溫度48 ℃/34 ℃),對比測試結果表明,在研究的目標機型上,單排扁管換熱器比1.46排圓管換熱器具有更優越的換熱性能,在標準制冷工況下,扁管換熱器樣機的換熱能力以及EER均高于對比樣機,在自定義的惡劣工況下優勢更明顯。另外單排扁管換熱器可以減少冷媒充注量以及銅的用量,成本大幅下降, 實驗結果也證實了模擬結果的可信性。                                                                                                              圖 5 冷凝器變流路設計     3 冷凝器流路設計    冷凝換熱器流路采用多進一出的變流路設計, 在流路設計中, 剛進入冷凝器的制冷劑呈氣態,比容較大,需要更多管數,隨著制冷劑逐漸冷凝成液體,比容減小,需要的管數也可以相應減小。變流路設計既能保證冷凝器制冷劑側流動阻力較低, 又能保證制冷劑在冷凝器兩相區的后半段和過冷段有較高的流速和換熱系數,明顯提高總傳熱性能。這種變流路設計使冷凝器有效容積得到合理的應用, 及制冷劑的流動和冷凝器的換熱更加合理。      考慮到不同制冷能力下的制冷劑流量, 240 鈑金冷凝器采用圖 5(a) 所示的變流路設計, 330 鈑金冷凝器采用圖 5(b),(c) 所示的變流路設計。     圖 5(b) 流路的優點是沒有有害傳熱,不存在分流不均問題,實驗的結果也比較理想(見表2的方案1),但這種設計工藝比較復雜,多采用約1.3m的φ=16mm銅管,光物料成本增加約50元,降低了性價比。圖 5(c)流路成本沒有增加, 傳熱效果卻較理想(表2的方案 2)。             4 結  論      在國標規定的標準制冷工況和自定義的惡劣工況下對一種橢圓扁管管翅式換熱器與一種圓管管翅式換熱器的換熱性能進行了 CFD 數值分析, 經實驗驗證表明, 在相同風速下, 橢圓扁管換熱器具有更好的換熱性能與成本優勢。     參考文獻:     [1]茹卡烏斯卡斯 A.換熱器內的對流傳熱[M].北京: 科學技術版社, l986.     [2] 張各平, 裴威, 劉潔.流體繞流橢圓管束流阻特性的數值模擬[J].淮海工學院學報(自然科學版), 2004, 13(4):24-30.     [3] 張智, 涂旺榮, 韓蔚,等.空調用冷凝器中的空氣流動與傳熱分析[J].制冷技術, 2002(1): 13- 19.     [4]陶文銓.數值傳熱學[M].西安: 西安交通大學出版社, 1998.
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