翅片管換熱器計算機模擬的建模方法綜述

宋銘

摘 要：近年來，對于換熱器的傳熱問題，結合計算機技術和數值方法，發展了許多數值傳熱學的方法，主要包括有限差分法、有限單元法、有限分析法、邊界元和有限體積等。對近年來不同的計算機建模方法進行了簡單的綜述性整理，以翅片管換熱器計算機模擬建模的方法為例進行了討論。

關鍵詞：翅片管換熱器；計算機模擬；冷凝器；蒸發器

中圖分類號：U464.138.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.065

在制冷/熱泵裝置中，換熱器主要分為蒸發器和冷凝器，作為制冷劑與被冷卻介質熱量交換的媒介，其形式特征多樣，性能特點也不盡相同。本文將對近年來不同的計算機建模方法進行簡單綜述性整理，以翅片管換熱器計算機模擬建模的方法為例進行討論。

1 翅片管換熱器的數值模擬

翅片管換熱器作為目前空調最常用的換熱器，能廣泛應用于制冷劑和空氣、水之間的強化換熱，換熱管道一般為多管呈蛇形布置，翅片分為單、雙或多排結構，翅片管換熱器結構簡單、便于加工，使其在制冷空調、化工等領域廣泛應用。研究表明，翅片管換熱器管內熱阻∶銅管翅片的接觸熱阻∶管外空氣側熱阻=2∶1∶7，可見管外翅片的換熱性能是制約換熱器總體性能的主要因素。

1999年，Xi等人對比分析用二維和三維模擬2種方法研究了翅片管的換熱特性，結果表明，前者的模擬結果大于后者，并提出了建議用二維模擬替代三維模擬進行定性研究。

2005年，西安交通大學的何雅玲等人采用數值模擬的方法對平翅片管中的流體流動與換熱進行三維仿真，對5種不同的影響因素——Re數、翅片間距、管排數、橫向和縱向的管間距進行了考察，并引入場協同理論分析了數值模擬的結果。

2016年，Zhang等人采用分布參數法對用于三股流換熱的翅片管換熱器的性能進行了數值模擬計算，并與實驗數據進行了對比，提出新型的空氣調節系統。模擬計算流程如圖1所示。

2016年，韓國學者Jung等人提出了空調系統中翅片管換熱器制冷劑與空氣側換熱模擬計算的改進熱力模型，其中，在兩相流部分，作者分別對氣相和液相部分建立獨立的質量、動量和能量方程，并將數值模擬結果與實驗數據進行對比，其中溫度和壓力的最大誤差分別不超過5 ℃和4%.其中，氣液相的質量、動量和能量方程如下：

2016年，Liu等人對采用大翅片間距的多孔型翅片在空氣側的換熱特性進行了數值模擬分析，針對不同開孔尺寸、開孔數目、翅片間距下空氣側換熱的j因子和換熱比例進行了詳細分析和討論，并提出了增大換熱面積以提高多孔型翅片換熱能力的可行性方法。其中，該作者使用的寬翅片間距的翅片管換熱器及溫度場模擬情況如圖2所示。

2 結束語

計算流體力學和傳熱學的快速發展使人們對換熱器中的流體換熱和流動特性有了更加直觀的認識，國內外學者針對如何提高計算機仿真模擬的準確性進行了大量的實驗驗證，對推動數值模擬的發展起了至關重要的作用。然而，目前對于數值模擬仍然存在一些問題值得深入研究。

對于制冷劑而言，單相液體和單相氣體的換熱特性相對簡單，對其理論計算的準確性也能保證。但對于換熱器中的制冷劑氣液兩相流動而言，傳熱過程伴隨著傳質過程的進行，換熱系數隨著流動干度的變化而變化，而針對管內側兩相流動與傳熱的預測還存在較大的誤差，特別是采用多元混合制冷劑的制冷循環中，氣液相制冷劑組分的變化以及制冷劑物性計算的準確度均對傳熱和流動特性的計算起決定性作用。針對這一塊的研究，應更加注重機理性的實驗驗證。

對于制冷系統而言，單純地以提高換熱器的換熱性能并不一定能提高制冷系統的整體效率，應綜合考慮壓縮機、內外電機的耗功、管道的流動阻力等因素，合理制訂制冷劑流量、壓縮機排量、風機風量等，從而使系統在最低耗功的前提下獲得最強的制冷能力。因此，在提高換熱器數值模擬精確度的同時，應降低模擬的復雜程度，提高運算效率，并將換熱器的數值模擬運用于系統的整體運行動態模擬中，以獲取系統整體多變量之間的非線性最優化耦合，為制冷/熱泵系統的設計計算提供有力的理論指導。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕