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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構進行改進與優化設計,然后對其換熱性能與改進前換熱器進行對比計算,結果是改進后的換熱器的傳熱系數得到了提高。
一、調整換熱器的翅片間距,設計成為變翅片間距。
1、設計原理
當氣流通過蒸發器時,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霜量是遞減的,如果采取變片距結構,可以在結霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長其沖霜時間。當蒸發器采用變翅片間距結構時,實際上已構成了翅片的錯列分布,當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、變翅片間距的結構示意圖及對比計算
由于該改進方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認為是錯列翅片,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 。
由于該結構形式實際為錯列翅片,當流體縱掠翅片時,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,當氣流流經后幾排管子時,由于流通截面迅速變窄,流速提高,使流體在原有的基礎上又進一步受到擠壓,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構改進,冷風機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下,在結霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數,且采用變翅片間距結構的冷風機比等翅片間距結構冷風機的傳熱系數提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過提高傳熱系數和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的(圖2) 。
對于翅片管式換熱器,其傳熱系數的計算采用下列公式。式中: hi ,h0為管內制冷劑和管外空氣側換熱系數(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內、外面積( m2 ) ; β為管內外面積比; ri , r0為管內、外表面的污垢系數( (m2·K) / W) ;λ為管壁導熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內/ 外徑(m) 。對于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統,經過結構改進,其熱力性能計算結果如表1 所示。
二、加強管內流體流動,管內壁加工變螺距內螺紋。
1、設計原理
2、變間距內螺紋翅片管結構示意圖及對比計算對等間距內螺紋翅片管換熱器管內螺紋進行改進,由于管內有規則、連續的凸肋和凹槽發生改變,使之內表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數增大3. 82 %,管內換熱系數也增加了4. 89 %。等間距與變間距內螺紋管結構示意圖如圖3、圖4 所 式中: f m為單位管長管子平均面積(m2 ) ; f i為單位管長管子內面積(m2) ; f 2為單位管長管子總外表面積(m2) ;αi為管內對流換熱系數(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對流換熱系數(W/ (m2· K) ) 。
對于汽車空調系統,當負荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計算結果如表2 所示。
對于燃氣熱水器，換熱器管子外側流動的是高溫煙氣，內側流動的是冷水。試驗表明，煙氣側的熱阻明顯高于水側的熱阻，因此通常在管子表面設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，單根圓管外側加裝翅片所構成的翅片管束；連續翅片管束，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。本文選取連續翅片管束，采用CFD軟件，在管子內流體為定溫度條件下，對非翅片表面煙氣流道內煙氣、翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。
1 模擬方法
1.1 控制方程與數學模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物質量守恒方程、組分質量守恒方程、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生凝結，煙氣組成不會發生變化，因此不需考慮組分質量守恒方程。
1.2 物理模型
燃燒產生的高溫煙氣向上沖刷翅片管束，通過對流傳熱將熱量傳遞給管子內的冷水。對非翅片表面煙氣流道內煙氣與翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。考慮到計算的時間與成本，數值模擬只針對單個連續翅片進行研究，計算區域寬×高×厚為126.4 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軟件對物理模型進行網格劃分，網格生成后，用網格檢查器檢查網格的質量，劃分網格后的物理模型見圖2，網格數量為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，管子內壁面選用流固耦合熱邊界條件。
④管內流體條件
管內流體溫度設定為350 K。
2 數值模擬結果及分析
2.1 煙氣溫度分布
非翅片表面煙氣流道內煙氣溫度分布見圖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，煙氣與管子能夠實現較好的換熱。煙氣流道出口處煙氣溫度的分布比較均勻，對后續的煙氣處理也非常有利。文獻［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，模擬結果與文獻［3］的研究結果基本一致。2.2 煙氣速度分布非翅片表面煙氣流道內煙氣速度分布見圖5。文獻［4-5］研究表明，對于平翅片管束，當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，流動到管子后部表面分離，伴隨旋渦從管子表面脫落，并在煙氣出口區域形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區。尾流區內煙氣的循環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，破壞尾流區形成的邊界層，從而改善平翅片管束的換熱環境，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。
空冷式冷凝器
空冷式冷凝器也稱風冷式冷凝器，制冷劑在管內冷凝，制冷劑放出的熱量被空氣帶走。這種冷凝器中有自然對流空氣冷卻式冷凝器和強制對流空氣冷卻式冷凝器。由于空氣的對流傳熱系數很低（25～35 W/m·2K），空冷式冷凝器的傳熱效率不如水冷式，冷凝溫度與冷凝壓力均較高。
另外，在換熱負荷一定的情況下，空冷式冷凝器所需傳熱面積比水冷式冷凝器大，故而設備體積和質量均龐大，占地大。但是可冷熱兩用，初投資低，系統維護管理相對簡單。空冷式冷凝器在工程實際中的應用十分廣泛，既可用于制冷系統，也廣泛應用于空調系統。其大的優點是不需冷卻水，因此特別適用于缺水地區或者供水困難的場合，在小型制冷空調領域應用尤為廣泛。
3）蒸發式冷凝器
蒸發式冷凝器是以蒸發冷凝和顯熱交換為基礎，制冷劑放出的熱量同時由冷卻水和空氣帶走。制冷劑在管內流動，冷卻水在管外噴淋蒸發時吸收氣化潛熱，使管內制冷劑冷卻和冷凝。蒸發式冷凝器中，省去了冷卻水在冷凝器中的顯熱傳遞階段，使冷凝溫度更接近空氣的濕球溫度，可比水冷式冷凝器系統低3～5℃，從而大大降低壓縮機的功耗，耗水量只有水冷式冷凝器系統的1/3左右。
我國蒸發式冷凝器的開發和應用相對滯后，以往多應用于大型的氨制冷系統。近年來，由于電力資源緊張和水資源匱乏，蒸發式冷凝器作為一種節能節水型換熱設備，其研究和應用得到了廣泛重視，促進了蒸發式冷凝器產品技術的成熟和進一步應用。目前，已有一些生產廠家在結構上對其進行了完善，使之應用于中央空調機組。
對于那些需要進行控制的冷凍空調系統和運行環境惡劣的場合，蒸發式冷凝器更容易滿足工藝控制要求。工程應用表明，采用該產品替代傳統的“水冷式冷凝器+涼水塔”方式，增加的初投資一般能在一年左右即可收回，經濟效益明顯。
2、冷凝器中常用的強化傳熱翅片管
傳熱過程是熱量從一種流體通過固體壁面傳給另一種流體的過程。工程實際中，強化換熱器的換熱性能主要從強化兩側介質與換熱管內、外壁之間的對流換熱過程入手。常用的強化傳熱技術有:
(1)表面涂層；
(2)粗糙表面；
(3)擴展表面；
(4)各種內外螺紋管；
(5)擾流元件；
(6)添加物；
(7)沖擊傳熱。在各種強化傳熱技術中，在壁面上加裝翅片，作為增強傳熱的一個主要手段，在工程中得到廣泛應用。翅片管式換熱器具有傳熱、結構緊湊等特點，已被廣泛地應用于制冷空調裝置、航空航天設備、太陽能集熱器和電子設備等各個領域中。在冷凝器中的應用尤為普遍。
翅片管的種類很多，而且還在不斷涌現新的品種，在這方面的研究也較多[4～6]。大體上可按加工工藝、翅片形狀、材質、用途等幾個方面對翅片管進行分類。在冷凝器中，常用的翅片管有以下幾種形式。
1）內螺紋管
2）整體型螺旋翅片管
3）螺旋槽管
螺紋類翅片管、套片式翅片管、波紋管、螺旋扭曲管、螺旋繞片管等傳熱元件在冷凝器中得到了廣泛的應用，傳熱效果得到了顯著提高。除此之外，新齒形傳熱管還在不斷出現。與光管相比，它們具有下述共同特點：
(1)不同形狀的翅片均可使傳熱壁面變得粗糙，從而破壞靜止的層流邊界層，提高對流換熱系數，使換熱得到不同程度的強化；
(2)在負荷一定的條件下，冷凝器所需面積可大大減小；
(3)根據大多數人的常識，粗糙的翅片管表面容易引起結垢；事實上，由于粗糙表面引起的紊流破壞了靜止的附面層，會使污垢難于附著；即使有污垢附著，污垢也呈現離散的鱗片狀，設備運行中溫度的變化使管子發生膨脹和收縮，會因污垢與管壁材料間的脹差巨大而引起剝離，在介質的沖擊下自行脫落。而光管垢層為圓柱體，無任何自脫力。因此，翅片管的結垢情況并不比光管嚴重多少。
冷凝器的應用范圍十分廣闊，特別是在制冷空調系統中。冷凝器作為主要的傳熱設備之一，其性能的好壞直接影響到裝置的總體工作性能。因此，冷凝器傳熱過程的強化得到了越來越廣泛的重視。
為了提高冷凝設備的整體性能，通過管子形狀或表面性質的改造來強化傳熱過程以提高冷凝器的效率，已成為國內外冷凝器發展的一種趨勢。柏恩翅片管換熱器所采用的緊湊型串片式管片系統，它是一種新型的傳熱元件。其獨特的片型結構和加工工藝流程，使得空冷器產品具有更加緊湊的外形尺寸，更高的換熱效率和更輕的重要。
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