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空調蒸發器用管翅式換熱器開縫翅片的數值設計

點擊:1557 日期:[ 2014-04-26 22:21:23 ]
                      空調蒸發器用管翅式換熱器開縫翅片的數值設計                             金巍巍 屈治國 張超超 何雅玲 陶文銓 (動力工程多相流國家重點實驗室,西安交通大學能源與動力工程學院, 陜西 西安 710049 )     摘要:通過三維層流數值模擬,與平片計算結果對比,設計了適用于低流速和Re數(迎面風速1,--3 m/s,對應Re數901~,,2702)下的空調蒸發器用管翅式換熱器的開縫翅片形式。研究表明:在上述迎面風速和Re數范圍內,開縫翅片性能曲線和平片性能曲線不可避免地有一個交叉點,對應Re數稱為轉折Re數,在交叉點前的速度和Re數范圍內, 平片換熱器的綜合性能優于開縫翅片,而在高于轉折Re數后,隨著迎面風速的增大,開縫翅片的綜合換熱性能將越來越優于平片;依據“前疏后密”原則適當減少開縫翅片換熱器開縫的條數,可以有效降低轉折Re數,并顯著改善低流速和Re數下換熱器的綜合性能。另外,再次驗證了場協同理論一溫度場和速度場的協同性與換熱器換熱量間的必然聯系。     關鍵詞:開縫翅片; 數值模擬;優化設計;     中圖分類號:TK124 文獻標識碼:A轉折Re數;場協同     文章編號:0253-231X(2006)04~)688-03     l 引 言     開縫翅片管翅式換熱器廣泛應用于制冷、空調等行業中。近年來,隨著對換熱器高效、緊湊的迫切需求,許多研究人員針對開縫翅片管翅式換熱器空氣側的換熱及阻力特性進行了大量的優化設計方面的試驗研究和數值模擬。     Kang和Kim[1]對管徑為7 mm的雙排翅片管進行的4種不同翅片形式的試驗,研究表明: “前疏后密”的布置綜合性能最優。Yun和Lee[ 對x型均勻開縫翅片的7種因素進行了試驗研究,認為影響翅片換熱和阻力性能的主要因素是翅片間距、翅片縫角與來流的夾角、縫的長度和縫的高度。屈治國等[3]利用三維數值模擬結果驗證了文獻⋯ 的發現。程永攀等[ ]研究了開縫布置位置對“前疏后密”開縫翅片換熱和阻力性能的影響。     本文通過三維層流的數值模擬,研究了開縫數目減少對“前疏后密”“x型”布置空調蒸發器用較低迎面風速(1 3 m/s,對應Re數901~2702)下的開縫翅片管翅式換熱器換熱和阻力特性的影響, 并用‘場協同”原理分析了換熱增強的實質。     2計算區域的選取及其數學描述     對雙向開縫翅片進行數值模擬時,由于翅片管換熱器幾何結構的周期性和對稱性,取如圖1所示的兩翅片之間的空間為計算區域 為了保證入口流速均勻以及出口無回流,入口計算區域延長1.5倍翅片長度,出口延長5倍。數值計算模型控制方程及邊界條件的處理可參見文獻[3,4】,數值模擬參數可參見表1        本文對六種形式的兩排翅片管進行數值模擬,結構尺寸示于圖2中。六種翅片分別為平片和五種開縫條數依據“x型”“前疏后密”布置原則依次減少的開縫設計方案。本文旨在研究減少縫的條數對開縫翅片在工作流速范圍內的傳熱以及阻力特性的影響。     3數值計算方法    管壁溫度取為常數,翅片溫度與流體溫度耦合計算,為保證耦合界面上熱流密度連續,固體區采用流體區比熱容的值,關于耦合問題的求解方法可參見文獻[5】。為了模擬翅片結構,引入一個數組用于標識流體、翅片和圓管區。圓管邊界用階梯邊界逼近,非均分網格,翅片區較密,延長區較疏,網格數為143~66~24。用有限容積法離散控制方程,SIMPLE算法實現壓力場與速度場的耦合計算。              4 結果分析與討論     4.1 相同Re數下J/f的比較     開縫翅片與平片J/f相對Re數的變化曲線如圖3所示 由圖可見,當Re數從901變化到2702(對應來流速度從1—3 m/s),五種開縫翅片的J/f曲線均分別與平片的J/f曲線相交,交叉點的Re數稱為轉折Re數 轉折點前,平片J/f值高于開縫翅片,但Re大于轉折點后,開縫翅片J/Y值高于平片;另外,減少“前疏后密”布置的開縫翅片開縫條數,低流速或Re數下,開縫翅片的J/f值增高,轉折Re數減小,但在高Re數時,條縫數少的開縫翅片的J/f值略低于條縫數多的 如: 1 m/s時,開縫1,-4的對應J/f值從0.01406增長到0.0154(是平片J/f的98.97%),轉折Re數從2250減小到1700,但3 m/s時,開縫4的J/f值略低于開縫2和開縫3,略高于開縫1;開縫5,縫的條數過少,在整個工作流速范圍內, J/f值均小于平片。這充分說明:適當減少“前疏后密”布置的開縫翅片縫的數目,可以有效減小轉折Re數并顯著改善低Re數下的J/f值。 ,     4.2 相同泵功下換熱量的比較     開縫翅片與平片相同泵功下換熱量的比較如圖4所示。由圖可見,它的變化趨勢與J/f相對Re的變化一致。即:所有開縫翅片相同泵功下的換熱量曲線與平片的曲線都分別相交;交叉點前,平片換熱性能優于開縫翅片,交叉點后,隨著流速和Re數的增高,開縫翅片換熱性能越來越優于平片;開縫1,-,4,隨著開縫條數的減少,交叉點顯著前移(減小),低流速或Re數下,開縫相同泵功下的換熱量增高,但高Re數下的曲線值略有降低;條縫數較少的開縫5,僅1 m/s時的相同泵功下換熱量略高于開縫4,其余值均小于其它開縫形式,與相同Re數下的J/:曲線不同的是,此開縫形式相同泵功下的換熱量曲線與平片也有一個交叉點(對應Re高于開縫4的),在此交叉點后,它的相同泵功下的換熱量差于其它開縫形式但卻優于平片。所以,這同樣可以說明:適當減少“前疏后密”布置的開縫翅片的縫的條數可以顯著改善低Re數下的換熱器性能并降低轉折Re。     4.3 相同流速下換熱量的比較     平片與開縫翅片相同流速下換熱量的比較示于圖5。由圖可見,在所研究的來流速度范圍內,開縫翅片的換熱量均高于平片,而且隨著流速的增大,換熱量增長的幅度越大,這就意味著:相同的換熱量下,開縫翅片換熱器的體積大大小于平片換熱器。     另外,減少開縫條數,相同流速下的換熱量減少,但即使如此,在整個來流速度范圍內,僅有兩條縫的開縫5的平均換熱量仍舊比平片高8.5%。這充分體現了選用開縫翅片換熱器的優越性:能夠顯著減小換熱器的尺寸。    4.4 場協同原理分析     平片和開縫翅片的換熱量和速度以及協同角和速度的關系如圖5和圖6所示。由圖中可見,當來流速度增加,平片和開縫翅片協同角均增加,對應換熱量也增加,這說明當來流速度增加時,換熱的增強主要是由于流量的增加而引起的,但場的協同性變差;相同Re數下,所有開縫翅片的協同角均小于平片,而對應換熱量卻高于平片,隨著開縫條數的減少,開縫翅片的協同角增大,換熱量減少。這些變化再次驗證了場協同原理的正確性。          5 結 論     (1)并非在所有來流速度或Re數下開縫翅片換熱器傳熱和阻力的綜合性能均優于平片。在較低流速范圍內,開縫翅片與平片性能曲線相交,交叉點前,平片換熱器的綜合性能優于開縫翅片,但在交叉點后,隨著來流速度的增大,開縫翅片換熱器的性能將越來越優于平片。這個交叉點對應的轉折Re數的大小,依據不同的開縫翅片縫的布置形式的不同而不同,交叉點Re數越小,換熱器在低流速和Re數下的換熱性能越好。     (2)減少按照“前疏后密”方式布置的開縫翅片開縫條數可以有效減小轉折Re數并顯著改善低Re數下的換熱性能。     (3)用于較低流速和Re數下的空調蒸發器用開縫翅片設計,為了同時兼顧較高和較低流速下換熱器的性能,建議開縫條數不宜過多(本文的設計參數下,開縫條數不宜超過5條)。     (4)開縫翅片換熱器的綜合性能在低流速和Re數下差于平片,但通過數值設計可以獲得幾乎接近于平片性能的開縫設計方案,如開縫4,但它在整個來流速度和Re數范圍內的換熱量卻高于平片,從而有效的減小了換熱器的體積。     (5)本文研究再次驗證了場協同原理的正確性。
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