换热器开缝翅片参数影响的分析研究

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...页眉....页脚...页眉档案号题目换热器开缝翅片的参数影响分析研究单位姓名....页脚 ...页眉摘要：目前市场上常见的7mm管径开缝翅片（又称桥片），分析其换热的原理，提出物理与数学模型，采用商业软件FLUENT计算其流动及换热特性。重点针对桥片在不同设计参数下的性能进行了数值研究，分析了横向管间距、纵向管间距、片间距和控制圆等对翅片换热能力的影响，还有入口风速对流动与换热特性的影响，最终提出能够取代目前已有的7mm管径的X型桥片的翅片。....页脚...页眉关键词：换热器，开缝翅片（桥片）1.引言....页脚...页眉管翅式换热器广泛地应用于HVAC&R领域，改进翅片的性能，推出更加节能、节材的紧凑式换热器，有重要的意义。Wang等[1，2]对18种不同结构的平直翅片空气侧的流动和换热特性进行研究，分析管排数、管径和翅片间距的影响。间断型翅片是一种被广泛使用的强化表面，通常包括百叶窗翅片和开缝翅片（又称桥片或交错翅片）。间断型翅片的几何结构可以破坏边界层的发展，并且能让流体混合的更加充分，达到强化换热的目的[3,4]。Wang等[5]对开缝型、百叶窗型及平直翅片的实验表。....页脚 ...页眉根据场协同原理分析计算，得出换热量随Re数和开缝角度的变化规律。这些研究成果，为分析现存换热器中存在的问题，找出可进行性能强化的途径，为设计出高性能的换热器提供一定的思路。本文研究开缝翅片换热器的各项参数——横向管间距、纵向管间距、片间距、翅片开缝高度等的对桥片单元量的换热性能的影响。计算采用高仿真流体软件FLUENT计算出现已有7mmX型桥片的压降和换热量，并在此基础上研究考察开缝翅片不同参数下的流动与换热特性，最终设计出取代原有翅片的5mm管径的开缝翅片。....页脚...页眉1.与物理数学模型2.1物理模型计算基于冷凝器传热模型，在整个传热过程中，制冷剂在管内放出热量通过管壁导热导给翅片，最终通过空气的对流将热量带走。制冷剂在管内的传热非常复杂，涉及过热区、两相区和过冷区。本文主要研究空气侧翅片在不同管径偏移量的传热性能，将管内的热阻固定，即管壁温度取为定值（第一类边界条件），其值取为实验中管壁温度的平均值。由于在计算中考虑到翅片中的温度分布，即翅片中的温度通过计算确定，使得此问题属于流固耦合问题。对低速空气的流动，在温差不太大的情况下并引入以下的简化：[1]假定通道中流体流动和热交换为层流稳定流动；[2]忽略重力对流动和换热的影响；[3]空气为不可压缩流体；[4]空气和翅片的物性参数为常数；....页脚 ...页眉由于开缝翅片的结构较为复杂，为了表述计算的数学物理模型及区域，先以平片为基础进行说明。由于在垂直于流动的方向上呈周期性布置，在垂直于流动方向方向上呈对称布置，因此可选取一个翅片间距的结构作为代表性的单元来进行研究。研究单元有多种选取方式，通常情况下为了划分网格和计算的方便，多采用所示A、B两种方法，方法A中固体翅片区位于研究单元的上下部，其中间为流体区；在方法B中，固体翅片区位于研究单元的中心，表面上下部均为流体区。结合本文研究的特点，采用了方法A作为数值模拟的物理区域，所形成的计算区域。从模型可以看出，计算区域为一个三层结构，中间为流体区，上下为半个翅片厚度区域，注意到上下表面在缝条处实际为流体区，圆管在高度方向垂直穿过计算区域。为了使用速度和温度均匀入口边界条件和出口达到充分发展，实际的计算区域分别在翅片前后延伸了一定的距离2.2控制方程和边界条件基于以上的物理模型，在三维坐标系下，流动与传热的控制方程如下：动量方程:温度方程：物理边界条件简述如下：....页脚 ...页眉进口流速、温度给定；出口局部单向化；上、下、前、后面对称；翅片上、下开缝处流体为周期性边界条件；管子给定壁温[10]。控制方程的离散采用有限容积法，压力与速度的耦合问题采用FLUENT软件中的SIMPLE方法进行处理，计算格式采用指数格式。1.计算结果及分析3.1管径的影响考察在其它条件相同的情况下，,直接改变管径，并根据研究经验减小控制圆通后对流动和换热特性的影响。这里研究了两种管径，7mm(考虑胀管和壁厚为7.38mm)和5mm(考虑胀管和壁厚为5.28mm),对温度和流动速度的影响。对比结果表示在表1中。表1NO.01和NO.02计算结果NO.管径d(mm)横向S2(mm)纵向1/2S1(mm)片间距Pf(mm)压差∆p(Pa)控制圆R(mm)换热量Q(W)单位迎风面换热量(W/m2)片型017.313.310.51.3545.1546.021163.07X型桥片....页脚 ...页眉0.2999865025.2813.310.51.3532.24454.50.29183920588.29单桥高0.76模型分布表示了NO.01和NO.02号计算区域上表面的速度场和温度分布。从模型可以看出，当管径减小时，管壁对空气的流动的扰动减弱，导致管后尾部绕流区明显减小使得流动阻力减小，但是使靠近管壁附近的最高流速降低，从而传热的核心区域的有效流量降低，使传热能力减小。从模型中可以看出大管径条件下，计算区域上表面特别是前排靠近壁面处流体的平均温度处要高于小管径下对应位置流体的平均温度。而且翅片出口的温度要高于小管径下出口温度，所以进一步证明了管径减小降低了翅片的效率，导致换热性能的降低。3.2控制圆的影响考察在其它条件相同的情况下,直接改变控制圆的大小对流动和换热特性的影响。在其他参数不变的情况下，对比研究了5mm管径的桥片分别在4个控制圆半径下的阻力和传热性能，并将对比结果表示在表2中。模型分别表示了控制圆直径对流动的影响，从模型....页脚 ...页眉中可以看出，当控制圆直径适当减小时，开缝的长度增加，可以使更多的流体贴近管壁，使得近壁处的流体的局部速度增加，而近壁面处是翅片上局部热流密度最大的区域，对传热的影响具有正面影响，因此NO.04比较NO.03性能有所提高，当进一步减小控制圆至4.2mm以下（工艺难以实现），传热性能反而下降，只是由于开缝增加导热热阻的作用而对传热具有负面影响的作用更为突出。表2NO.03、NO.04、NO.05和NO.06计算结果NO.管径d(mm)横向S2(mm)纵向1/2S1(mm)片间距Pf(mm)压差∆p(Pa)035.2811.29.751.235.3959045.2811.29.751.237.0514055.2811.29.751.238.3088065.2811.29.751.238.5886NO.控制圆R(mm)换热量Q(W)单位迎风面换热量(W/m2)片型035.00.24919621299单桥高0.77044.50.25459421760单桥高0.77054.20.25186621527单桥高0.77....页脚 ...页眉064.00.25195421535单桥高0.773.3片间距的影响考察5mm管径桥片NO.14和NO.03两个片型，，两者片间距不同，其它参数全部相同。对比结果表示在表14中。模型分别表示了两种片型表面的流场和速度场。从表5和模型中可以看出，随片间距减小，阻力压降增加，换热量减小，单位迎风面积换热量却增加，可以看出，减小片间距，可以有效地增大单位迎风面积换热量，但是阻力压降也会增加。表5NO.14和NO.03计算结果NO.管径d(mm)横向2S2(mm)纵向1/2S1(mm)片间距Pf(mm)145.2811.29.751.35035.2811.29.751.2NO.压差∆p(Pa)控制圆R(mm)换热量Q(W)单位迎风面换热量(W/m2)片型单桥高1428.94265.00.2698190340.770335.39595.00.2491212990.773.4翅片材料厚度的影响....页脚 ...页眉考察依次采用厚度0.11mm、0.105mm和0.095mm厚度的三个翅片，对比结果表示在表6中。模型分别表示了该三种片型的速度场和温度场。从表和模型中可以看出，随着厚度的减小，阻力压降也减小，换热量和单位迎风面积换热量也逐渐减小，为保证换热量，本课题推荐桥片厚度为0.11mm。表6NO.12、NO.15和NO.16计算结果NO.管径d(mm)横向2S2(mm)纵向1/2S1(mm)片间距Pf(mm)125.2811.29.751.2155.2811.29.751.2165.2811.29.751.2NO.压差∆p(Pa)控制圆R(mm)换热量Q(W)单位迎风面换热量(W/m2)片型1237.514.50.2498213520.77，Fin0.11154.50.2452209590.77，....页脚 ...页眉36.533Fin0.1051634.744.50.2451209560.77，Fin0.0953.5翅片优化结果根据上述翅片参数的敏感性的分析，本为对所计算的开缝片型进行综合比较和分析，表明直接在换热器翅片中将7mm管径改为5mm管径，会使相同迎风面积下的换热量下降。为了实现替代，必须考虑在改变片型的同时，改变管间距和片型，并可利用5mm管径换热器阻力小的优势，减小控制圆直径，增长翅片条缝长度，弥补换热的损失。经过优化组合后，本文计算得出了新的桥片，在计算单元内它能够达到与原有7mm管径的X型桥片的换热要求，并且翅片面积较小，可以减小翅片生产材料用量，降低生产成本。原有X型翅片和新设计的桥片阻力特性和换热能力，数据分析见下表7。表7优化翅片计算结果NO.压差∆p(Pa)控制圆R(mm)换热量Q(W)单位迎风面换热量(W/m2)片型....页脚 ...页眉0145.1546.00.299986521163X型桥片0437.1474.50.254521760单桥高0.771337.664.50.247027214430.77，fin0.111749.8184.50.248221218X型桥片NO.管径d(mm)横向2S2(mm)纵向1/2S1(mm)片间距Pf(mm)017.313.310.51.35045.2811.29.751.2135.2811.29.61.2175.211.29.751.2从表7中可以看出，设计出的单向、双向开缝，开缝高度为0.77mm新的桥片，其阻力压降较小，换热能力还优于原有的7mm管径的X型桥片。还有得到的5mm管径的X型桥片，其换热能力也优于原有的7mm管径X型桥片。所以，经过仿真模拟，计算得出的新的桥片，完全能够取代原有片型，把制冷剂管径从7mm减小到5mm....页脚 ...页眉，还减小翅片的单元换热面积，节约生产材料，降低生产成本，对高效、节能生产具有重要的意义。1.结论本文研究了桥片换热器翅片参数对传热和阻力性能的影响，主要的结论如下：(1)管径对翅片换热影响很大，在减小管径时换热量也会随之减小，为了避免这种影响，要对翅片其他参数进行调整，提高换热效率。(2)减小翅片的控制圆，即增加翅片开缝长度，可以有效的增加换热量；但是控制圆从4.2mm减小到4.0mm，效果并不明显。(3)减小片间距，可以有效地增加翅片单位迎风面积换热量，但同时阻力压降也会增加。(4)翅片材料厚度对换热量也有影响，综合考虑，推荐使用0.11mm的翅片厚度。....页脚