高校浴池新型廢氣蒸發器設計

楊云龍，朱晨宇，秦玉華，陳博

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

換熱器在各行各業里有著廣泛的使用，對于熱泵系統而言，它由蒸發器、冷凝器、壓縮機三大核心部件構成。蒸發器與冷凝器都屬于換熱器的一種，若系統中采用結構緊密、換熱高效的換熱器，不僅能夠使裝置體積和重量減小，并且減少了系統耗功量。高效的換熱器也能更好回收浴室廢熱，對浴池運營產生巨大經濟效益。本章主要通過對換熱理論的進一步分析，結合廢熱蒸發器設計的主要技術問題，設計適用于高校浴池高溫廢氣熱回收的空氣蒸發器。通過調整雙折式換熱器翅片角度、翅片間距等設計參數，使得空氣與蒸發器之間接觸充分，減少流動阻力。運用Fluent數值模擬研究不同參數的翅片狀況，進行對比分析得到最優結構。

2 數學模型

通過對換熱器強化換熱分析，提高蒸發器換熱的有效途徑主要是：一、加大蒸發器對空氣能的吸收；二、盡可能減少蒸發器損失。一定尺寸的蒸發器，不同的翅片角度、翅片間距、翅片高度等因素都制約著蒸發器對廢氣熱的吸收量。翅片間距越小，翅片密度越高，翅片相對表面積增大，有利用水蒸氣與管內制冷劑的換熱，相應的蒸發器的成本提高，流動阻力增加。若翅片間距過大，空氣與翅片接觸效果不好，大量余熱未利用就直接排放到室外，翅片間的換熱情況降低。翅片管物理模型，如圖1所示，其中L為兩個翅片之間的距離，α為翅片角度。

圖1 翅片結構

相關研究表明換熱器的管排數一般為n=2～6排，換熱器設計結合浴室排出廢氣的方式與窗口的大小以及墻體的厚度，選擇管排數為n=1，單排管不但合理的適應了浴室使用狀況而且減少了加工的難度，節省了材料。針對翅片高度也需要在一定合理的范圍內，并不是越高越好。翅片高度增加，翅片面積隨之增加，翅片傳熱效果卻降低。因此翅片管蒸發器高度應該有一個比較合理的范圍，當翅片高度在12.7-19.05mm時，各項綜合指標最優。翅片結構如圖2所示

圖2 廢氣蒸發器整體模型結構

3 模擬結果

選擇翅片角度為60度、翅片間距為6.5mm的模擬工況，對翅片管速度矢量進行分析，研究翅片管換熱器結構對空氣的阻力的影響，如圖3.16所示：(速度v=2m/s，環境溫度T=22℃)由速度矢量圖分析得出，空間域最左側入口速度大小和方向各點相同，但隨著空間域內的變化，速度出現了方向不一致現象，但整體仍然為向右流動狀態。當空氣到達翅片正前方，由于受到翅片阻擋作用，使得速度方向發生改變。上部翅片通道與空氣流動方向協同，空氣較為平緩的流過翅片通道，而下部翅片方位與空氣來流方向幾乎垂直，空氣流動受阻嚴重，空氣流向產生大的轉折。流體沿著翅片間的流體通道流入，在翅片“Z”字形折彎處對流動起到阻擋作用，使得下部翅片最下方產生了旋渦區發生了逆流作用，提高了翅片對流換熱作用，增加了換熱的努賽爾數。衡量換熱器表面換熱效果好壞的指標不僅是努謝爾數和換熱器結構阻力兩方面，更多為場協同作用，即減小速度矢量與溫度梯度之間的夾角是強化換熱的有效措施。在相同的速度和溫度邊界條件下，它們的協同程度越好，換熱效果也越明顯。

4 結論

高校浴池廢氣均直接排放到室外，大量廢熱不僅沒有得到回收，而且造成環境熱污染。通過分析浴池廢氣排放特性，結合換熱器強化換熱技術手段，提出了適合高校浴池廢氣蒸發器結構-“Z”字形雙折式蒸發器。運用數值模擬技術手段，改變了翅片角度和間距，發現翅片角度為45°，翅片間距為6.5mm時，翅片管努賽爾數最高，其速度場與溫度場協同作用最強。

參考文獻：

[1] 蘭州石油機械研究所.換熱器[M].烴加工出版社,1986.

[2] 劉雪玲.螺旋翅片管換熱器換熱性能試驗及計算機輔助試驗[D].浙江大學,2003.