空調空氣冷卻器間斷型翅片和平翅片的傳熱效果對比

唐景春,馬騁騁,宿向超,王學會,倪宜華

(合肥工業大學機械與汽車工程學院,安徽合肥230009)

空氣冷卻器是空氣調節工程中的重要設備,冷卻器的傳熱效果與翅片結構有很大關系,利用場協同原理設計的翅片可以強化傳熱,特別是在阻力增加的情況傳熱效果也可以有很大的改善,這是其他的強化方法,如減弱熱邊界層厚度、增加流體中的擾動或者減弱速度邊界層厚度無法做到的[1-5]。本文針對空調工程中空氣冷卻器翅片表面換熱的傳熱理論計算模型,運用數值傳熱學和流體力學的方法確定翅片表面溫度和速度的分布規律;并根據場協同原理改進速度場與溫度場梯度之間的協同程度,通過減小速度矢量與溫度場梯度矢量之間的夾角,改善傳熱與流體流動的耦合情況。通過試驗驗證空氣冷卻器不同的翅片結構對空調系統性能指標的影響,從而優化翅片表面結構形式。

1 空氣冷卻器對流換熱的模型與仿真

對流換熱的能量方程為:

式中:λ是流體介質的導熱系數,ρ是密度,cp是比熱容,﹒q是內熱源強度。

對于二維熱邊界問題,對(1)式進行整理后可得無因次關系式:

在翅片管式冷卻器中,由(2)和(3)兩式可以看出,在速度與溫度梯度一定(或Re和Pr不變)的條件下,減小速度與溫度梯度之間的夾角β,能夠提高積分的數值,從而使Nu增大,即增大對流換熱的表面傳熱系數αo。所以在熱和流體流動邊界及初始條件一定的情況下,通過改變換熱翅片表面的結構形式,可以改變β值,從而改變αo值。

根據無滑移邊界條件,貼壁流體是完全滯止的。因此,壁面與流體之間的熱量傳遞在通過這一層“靜止的”的流體時只能夠依靠導熱方式,通過該層流體所傳遞的局部熱流密度既可以運用傅里葉導熱定律也可以運用牛頓冷卻公式計算,即:

該式清楚地揭示出對流換熱問題的表面傳熱系數歸根結底是通過壁面上溫度梯度求得的。下面對間斷型翅片和平翅片的表面溫度場及速度場進行數值計算。

二維納維-斯托克斯動量方程是非線性的偏微分方程組,一般情況下(非線性項不等于零)要在整個流場范圍內求得它的解析解是極其困難的[6]。根據普朗特的邊界層理論,再補充連續性方程和能量方程,可得二維對流換熱速度場和溫度場的無量綱參數方程組如下:

取空氣冷卻器的換熱管進水溫度為7℃,翅片進風溫度為27℃,風速為2.5 m/s,空氣的重力加速度為9.81 m/s2。翅片所采用的材料特性:密度為2702 kg/m3,導熱系數為237W/(m·K),定壓比熱容為903 J/(kg·K)。利用有限元分析軟件Ansys仿真計算時,先分別定義單元類型為熱分析模塊 Therm al的Quad 4node 55和流體分析模塊FLOTRAN的2D FLOTRAN 141,創建換熱翅片幾何模型并根據邊界特點劃分網格,采用三對角陣算法(TDMA),設定迭代次數為100,加載溫度載荷求解,最后通過后處理接口Generral Postp roc得出平翅片和間斷型翅片空氣冷卻器的翅片表面溫度場、速度場及夾角β分別如圖1和圖2所示。

圖1 平翅片的表面溫度場、速度場及夾角β

對比分析圖1與圖2的仿真結果,可以得出下列結論:

(1)間斷縫的存在加強了局部氣流的擾動和翅片表面溫度場的突變,而增加流體的擾動是強化換熱表面開發的依據;

(2)間斷型翅片的結構使得其表面局部溫度場梯度與空氣速度矢量的方向夾角β減小,根據場協同理論,表明間斷型翅片的結構可以強化空氣冷卻器空氣側的傳熱。

2 兩種冷卻器的換熱性能對比試驗

兩種翅片型式空氣表冷器的對比試驗系統由工況機組、表冷器、電加熱器、電加濕器、測試本體、風機、冷水機組、恒溫器、流量計等設備組成。對比試驗所用的兩種空氣冷卻器如圖3所示,其中左側為平翅片冷卻器,右側為橋式翅片冷卻器。翅片材料為金屬鋁,傳熱管材料為紫銅。兩種冷卻器的傳熱管均按照叉排方式布置,并且傳熱管規格和總長、翅片數和厚度、翅片間距、管間距均相同。

圖2 間斷型翅片的表面溫度場、速度場及夾角β

圖3 對比試驗采用的兩種翅片形式的空氣冷卻器

空氣冷卻器性能試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

試驗通過測量空調箱(風機盤管)進出口水溫以及水的流量來計算得出水側換熱量;通過測量空調箱(風機盤管)進出口空氣的干濕球溫度,分別求得空氣在空調箱(風機盤管)進出口的焓差;通過測試本體中噴嘴前后的壓差及噴嘴前的壓力,求得空氣流量,進而得到空調箱(風機盤管)的空氣側換熱量;通過電參數儀測得風機功率。試驗通過改變水溫參數可以獲得空調箱的變工況特性曲線,試驗的結果如表2所示。

表2 試驗結果

從表2中列舉的數據,可以得出下列結論。

(1)采用間斷型翅片的空調箱,其水側換熱量、空氣側換熱量、空氣側換熱量比空調箱輸入功率等指標均優于采用平翅片的空調箱。

(2)間斷型翅片的空調箱在強化傳熱的同時,功耗卻增加較少,更有利于節能和工程應用,基于強化對流換熱的場協同原理,這也是間斷型翅片的空氣流場和溫度場相互協同性好的一種具體表現。

3 結論

通過上述兩種型式空氣冷卻器的翅片表面溫度場及速度場的數值計算和換熱性能對比試驗的結果分析,依據對流換熱的場協同原理,可以得到下列一些結論。

(1)速度場與溫度場協同性好的空氣冷卻器增加了空氣側流體的局部擾動,實質是改善了速度矢量與溫度梯度的協同程度,從而增加了空氣側的換熱量。

(2)間斷型翅片的空氣冷卻器,由于空氣側傳熱因子的增長率高于阻力系數的增長率,所以空氣側換熱量/空調箱輸入功率的性能指標上升,這有利于滿足換熱器的節能要求。

(3)為了進一步提高空氣冷卻器的翅片側速度場與溫度場的協同性,翅片開孔型式、疏密程度分布等方面均有待于進一步研究。

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