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換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開,彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進(jìn)行換熱,換熱后理論上應(yīng)變成同溫同壓的混合介質(zhì)流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過由蓄熱體組成的流道。當(dāng)熱流體流過時,把熱量儲存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當(dāng)冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復(fù)進(jìn)行。
下面我們主要談的是間壁式換熱器，通過實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行熱力對比計算。
提高換熱器換熱性能的途徑
傳熱方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主題方向是提高傳熱系數(shù)K。對強制循環(huán)空氣冷卻器,采取有效措施降低空氣側(cè)的傳熱熱阻或在制冷劑側(cè)采用選擇供液方式,控制供液量,或采用傳熱管可明顯提高傳熱系數(shù)。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數(shù),但流動阻力也相應(yīng)增大,因此通過增大流體的流速以增強傳熱系數(shù)K 有一定的限度。此外增強傳熱可通過增加傳熱面積實現(xiàn),但增加傳熱面積不應(yīng)靠加大整體設(shè)備的尺寸來實現(xiàn),而應(yīng)從設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)來考慮。
增加傳熱面積總體上分為兩種途徑:管外表面的擴大和管內(nèi)表面積的擴大。
目前管外表面積的增加主要是在管外加翅片或擴展表面即肋化表面,它是通過附加肋片擴大傳熱面積來減少對流換熱熱阻,從而達(dá)到強化傳熱的目的。
可通過下列途徑來增大設(shè)備單位體積的有效傳熱面積:
①傳遞面采用擴展面,如在對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷釘?shù)?
②增大原有熱傳遞表面,如將表面處理成憎水性覆蓋層、多孔性覆蓋層、雙波紋狀管等
③在換熱器中管子的強化方面主要是異型管的開發(fā),從而達(dá)到增加傳熱面積的目的。異型管的種類包括螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節(jié)管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
強化換熱器換熱的方法及熱力計算
通過對翅片管式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計,然后對其換熱性能與改進(jìn)前換熱器進(jìn)行對比計算,結(jié)果是改進(jìn)后的換熱器的傳熱系數(shù)得到了提高。
一、調(diào)整換熱器的翅片間距,設(shè)計成為變翅片間距。
1、設(shè)計原理
本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(在0 ℃及其以下條件工作時,翅片盤管外表面溫度等于或低于濕空氣的露點溫度時，由于在低溫工況下工作的蒸發(fā)器表面存在結(jié)霜問題,且蒸發(fā)器前幾排管子的結(jié)霜較嚴(yán)重,而后幾排管子的結(jié)霜相對較輕,因而可采用變間距的翅片設(shè)置,亦即沿風(fēng)向片距越來越小。霜開始形成時表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時氣體流速也增大,從而導(dǎo)致在結(jié)霜初期傳熱系數(shù)K 增大,但隨著霜層的不斷增厚傳熱熱阻增加,終導(dǎo)致傳熱系數(shù)K 減小,結(jié)霜對換熱器性能的影響表現(xiàn)在降低其傳熱系數(shù)和增大其阻力兩方面,合理的換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)同時減小這兩方面的影響。
當(dāng)氣流通過蒸發(fā)器時,由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管表面沉積,空氣由于除濕作用相對濕度降低,沿氣流方向翅片盤管表面結(jié)霜量是遞減的,如果采取變片距結(jié)構(gòu),可以在結(jié)霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長其沖霜時間。當(dāng)蒸發(fā)器采用變翅片間距結(jié)構(gòu)時,實際上已構(gòu)成了翅片的錯列分布,當(dāng)空氣橫掠錯列翅片時,翅片的交錯分布使得上游翅片對下游翅片有繞流作用,由于前面翅片的繞流,翅片的前半部分換熱加強,后面的翅片的分布又使得流道變窄,流速提高,翅片后半部分的換熱也得到強化。
2、變翅片間距的結(jié)構(gòu)示意圖及對比計算
由于該改進(jìn)方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認(rèn)為是錯列翅片,因此在分析中可借用錯列翅片的理論。圖1 是所研究的流體縱掠錯列翅片的一個二維模型,翅片間距為H ,厚度為t 。
由于該結(jié)構(gòu)形式實際為錯列翅片,當(dāng)流體縱掠翅片時,氣流在上游翅片先受到擾動,因此在前幾排管上的翅片換熱加強,當(dāng)氣流流經(jīng)后幾排管子時,由于流通截面迅速變窄,流速提高,使流體在原有的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步受到擠壓,擾動更加劇烈,因此通過后加上的一組翅片,使換熱也得到了強化。
通過變翅片間距的結(jié)構(gòu)改進(jìn),冷風(fēng)機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下,在結(jié)霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數(shù),且采用變翅片間距結(jié)構(gòu)的冷風(fēng)機比等翅片間距結(jié)構(gòu)冷風(fēng)機的傳熱系數(shù)提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數(shù)和傳熱面積從而達(dá)到強化傳熱的目的(圖2) 。
對于翅片管式換熱器,其傳熱系數(shù)的計算采用下列公式。
式中: hi ,h0為管內(nèi)制冷劑和管外空氣側(cè)換熱系數(shù)(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內(nèi)、外面積( m2 ) ; β為管內(nèi)外面積比; ri , r0為管內(nèi)、外表面的污垢系數(shù)( (m2·K) / W) ;λ為管壁導(dǎo)熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內(nèi)/ 外徑(m) 。對于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統(tǒng),經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn),其熱力性能計算結(jié)果如表1 所示。
二、加強管內(nèi)流體流動,管內(nèi)壁加工變螺距內(nèi)螺紋。
銅管外表面光滑,內(nèi)表面有連續(xù)而細(xì)密的螺紋溝槽,稱為內(nèi)螺紋管。因其增大了管材內(nèi)表面的散熱面積,使銅管的散熱系數(shù)增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整體設(shè)備尺寸的前提下,增加其內(nèi)表面換熱面積,加強管內(nèi)流體的擾動,在原有換熱器的管內(nèi)壁上加工變螺距內(nèi)螺紋。
1、設(shè)計原理
當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)換熱系數(shù)較大而管外工質(zhì)換熱系數(shù)較小時,管外的對流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴展表面,對于縮小換熱器體積,提高換熱器效率有很重要的作用。目前,已經(jīng)開發(fā)出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開槽條形片、裂齒矩形翅片等。
管內(nèi)表面積的增大主要集中在異型管的開發(fā)方面,綜觀各種不同形狀的強化管,其共同特點是在兼顧壓降的同時,傳熱面積都有不同程度的增加,并通過兩種機理提高其傳熱系數(shù)進(jìn)行強化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)提高的主要因素,它產(chǎn)生于靠近管壁的層流底層,并有一個逐漸增厚的過程。管壁的粗糙以及規(guī)則出現(xiàn)的溝槽、凸肋,會破壞貼壁層流狀態(tài),抑制邊界層的發(fā)展。同時溝槽和凸肋對流體的限流作用有助于邊界層的減薄,而繞流作用使流體產(chǎn)生軸向旋渦,可致使邊界層分離,流體主體徑向溫度梯度減小,有助于熱量傳遞的進(jìn)行。因此采用在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋,不但可以擴大管子的內(nèi)表面積,增加傳熱面積,并且由于管子不再是光管,內(nèi)部有螺紋所以內(nèi)壁變得粗糙,可以破壞層流邊界層,使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流,從而提高管內(nèi)對流換熱系數(shù)。同時,因為采用變螺距,沿著流體流動方向螺距從大變小,這樣可增強流體的擾動,強化流體的換熱系數(shù)。
2、變間距內(nèi)螺紋翅片管結(jié)構(gòu)示意圖及對比計算
對等間距內(nèi)螺紋翅片管換熱器管內(nèi)螺紋進(jìn)行改進(jìn),由于管內(nèi)有規(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變,使之內(nèi)表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數(shù)增大3. 82 %,管內(nèi)換熱系數(shù)也增加了4. 89 %。等間距與變間距內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、圖4 所示。
式中: f m為單位管長管子平均面積(m2 ) ; f i為單位管長管子內(nèi)面積(m2) ; f 2為單位管長管子總外表面積(m2) ;αi為管內(nèi)對流換熱系數(shù)(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(shù)(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調(diào)系統(tǒng),當(dāng)負(fù)荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結(jié)果如表2 所示。
對于燃?xì)鉄崴鳎瑩Q熱器管子外側(cè)流動的是高溫?zé)煔猓瑑?nèi)側(cè)流動的是冷水。試驗表明，煙氣側(cè)的熱阻明顯高于水側(cè)的熱阻，因此通常在管子表面設(shè)置翅片增加換熱面積，以提高換熱效率。目前，常用的翅片管束主要分為3類：單管外翅片管束，單根圓管外側(cè)加裝翅片所構(gòu)成的翅片管束；連續(xù)翅片管束，在整塊薄金屬板（翅片）上，按管子排列形式（順排、叉排）沖孔，然后用專用設(shè)備將沖孔后的金屬薄板逐片套在圓管上，再采用脹管或釬接方法連接；管帶式翅片管束，由波帶形翅片與扁管相間疊合而成，即在一條波形帶狀翅片的脊背上，沿垂直于氣流方向，貼置若干根扁管，翅片與扁管采用釬接方法連接。本文選取連續(xù)翅片管束，采用CFD軟件，在管子內(nèi)流體為定溫度條件下，對非翅片表面煙氣流道內(nèi)煙氣、翅片表面煙氣的溫度場、速度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。
1 模擬方法
1.1 控制方程與數(shù)學(xué)模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物質(zhì)量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，由于換熱管外煙氣中水分未發(fā)生凝結(jié)，煙氣組成不會發(fā)生變化，因此不需考慮組分質(zhì)量守恒方程。
1.2 物理模型
燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛏蠜_刷翅片管束，通過對流傳熱將熱量傳遞給管子內(nèi)的冷水。對非翅片表面煙氣流道內(nèi)煙氣與翅片表面煙氣的溫度場、速度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。考慮到計算的時間與成本，數(shù)值模擬只針對單個連續(xù)翅片進(jìn)行研究，計算區(qū)域?qū)挕粮摺梁駷?26.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直徑為14.5 mm，翅片厚度為0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有沖孔。采用Cero軟件（三維設(shè)計制圖軟件）建立物理模型（見圖1），并采用Gambit軟件對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格生成后，用網(wǎng)格檢查器檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，劃分網(wǎng)格后的物理模型見圖2，網(wǎng)格數(shù)量為719 625 個
1.3 邊界條件
①入口邊界條件
入口為速度邊界，在FLUENT軟件中定義速度邊界的方法有3種：種是將速度視為速率的值與一個單位方向矢量的乘積，然后通過定義速率的值和方向矢量分量來定義速度邊界；第二種是將速度視為3個坐標(biāo)方向上的分量的矢量和，然后通過分別給定3個分量大小來定義速度邊界；第三種是設(shè)定速度垂直于邊界面，然后給定速率的值就可以定義速度邊界。
由于煙氣流動方向與物理模型底面垂直，因此采用第三種定義速度邊界的方法。煙氣的進(jìn)口速度為4.215 m/s，溫度為1 250 K，湍流強度為3%，煙氣的組成見表1。
②出口邊界條件
出口邊界條件為壓力邊界條件，出口壓力（表壓）設(shè)置為0。物理模型出口湍流強度為3%。
③壁面熱邊界條件
物理模型外壁面選用對稱壁面邊界條件，無熱流，無氣流，管子內(nèi)壁面選用流固耦合熱邊界條件。
④管內(nèi)流體條件
管內(nèi)流體溫度設(shè)定為350 K。
2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析
2.1 煙氣溫度分布
非翅片表面煙氣流道內(nèi)煙氣溫度分布見圖3，翅片表面煙氣溫度分布見圖4。由圖3可知，非翅片表面煙氣流道底部煙氣溫度為1 250 K，煙氣流過管子時溫度下降，出口煙氣溫度分布比較均勻，分布范圍為500~750 K。由圖4可知，翅片表面煙氣溫度分布基本對稱，管子周圍的煙氣溫度低（為505 K），翅片邊緣的煙氣溫度高（為590 K）。由圖3、4可知，在管子錯排布置條件下，煙氣與管子能夠?qū)崿F(xiàn)較好的換熱。煙氣流道出口處煙氣溫度的分布比較均勻，對后續(xù)的煙氣處理也非常有利。文獻(xiàn)［3］的研究表明，與順排布置相比，管子錯排布置可大幅改善煙氣與管子傳熱條件下的流動工況，增強了換熱效果。由此可知，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)果基本一致。2.2 煙氣速度分布非翅片表面煙氣流道內(nèi)煙氣速度分布見圖5。文獻(xiàn)［4-5］研究表明，對于平翅片管束，當(dāng)煙氣繞過管子流動時，管子表面附近易形成很薄的邊界層旋渦區(qū)，流動到管子后部表面分離，伴隨旋渦從管子表面脫落，并在煙氣出口區(qū)域形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區(qū)。尾流區(qū)內(nèi)煙氣的循環(huán)流動使得管子周圍煙氣溫度下降速率減緩，此外隨著煙氣沿平翅片表面的平直通道向前流動，邊界層由于無附加擾動而逐漸增厚，使得局部換熱系數(shù)沿程降低。為改善上述問題，可通過在管子上方的翅片沖孔［1］47，破壞尾流區(qū)形成的邊界層，從而改善平翅片管束的換熱環(huán)境，還可降低翅片用料。由圖5可知，管子后部并未形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區(qū)。
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