唐景春,馬騁騁,宿向超,王學(xué)會(huì),倪宜華

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥230009)

空氣冷卻器是空氣調(diào)節(jié)工程中的重要設(shè)備,冷卻器的傳熱效果與翅片結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,利用場協(xié)同原理設(shè)計(jì)的翅片可以強(qiáng)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(qiáng)化方法,如減弱熱邊界層厚度、增加流體中的擾動(dòng)或者減弱速度邊界層厚度無法做到的[1-5]。本文針對(duì)空調(diào)工程中空氣冷卻器翅片表面換熱的傳熱理論計(jì)算模型,運(yùn)用數(shù)值傳熱學(xué)和流體力學(xué)的方法確定翅片表面溫度和速度的分布規(guī)律;并根據(jù)場協(xié)同原理改進(jìn)速度場與溫度場梯度之間的協(xié)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(dòng)的耦合情況。通過試驗(yàn)驗(yàn)證空氣冷卻器不同的翅片結(jié)構(gòu)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響,從而優(yōu)化翅片表面結(jié)構(gòu)形式。

1 空氣冷卻器對(duì)流換熱的模型與仿真

對(duì)流換熱的能量方程為:

式中:λ是流體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),ρ是密度,cp是比熱容,﹒q是內(nèi)熱源強(qiáng)度。

對(duì)于二維熱邊界問題,對(duì)(1)式進(jìn)行整理后可得無因次關(guān)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(shù)值,從而使Nu增大,即增大對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αo。所以在熱和流體流動(dòng)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(jié)構(gòu)形式,可以改變?chǔ)轮?從而改變?chǔ)羙值。

根據(jù)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(shí)只能夠依靠導(dǎo)熱方式,通過該層流體所傳遞的局部熱流密度既可以運(yùn)用傅里葉導(dǎo)熱定律也可以運(yùn)用牛頓冷卻公式計(jì)算,即:

該式清楚地揭示出對(duì)流換熱問題的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)歸根結(jié)底是通過壁面上溫度梯度求得的。下面對(duì)間斷型翅片和平翅片的表面溫度場及速度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

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

取空氣冷卻器的換熱管進(jìn)水溫度為7℃,翅片進(jìn)風(fēng)溫度為27℃,風(fēng)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(dǎo)熱系數(shù)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(jì)算時(shí),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(chuàng)建換熱翅片幾何模型并根據(jù)邊界特點(diǎn)劃分網(wǎng)格,采用三對(duì)角陣算法(TDMA),設(shè)定迭代次數(shù)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(duì)比分析圖1與圖2的仿真結(jié)果,可以得出下列結(jié)論:

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

(2)間斷型翅片的結(jié)構(gòu)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(jù)場協(xié)同理論,表明間斷型翅片的結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化空氣冷卻器空氣側(cè)的傳熱。

2 兩種冷卻器的換熱性能對(duì)比試驗(yàn)

兩種翅片型式空氣表冷器的對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)由工況機(jī)組、表冷器、電加熱器、電加濕器、測試本體、風(fēng)機(jī)、冷水機(jī)組、恒溫器、流量計(jì)等設(shè)備組成。對(duì)比試驗(yàn)所用的兩種空氣冷卻器如圖3所示,其中左側(cè)為平翅片冷卻器,右側(cè)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(guī)格和總長、翅片數(shù)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(duì)比試驗(yàn)采用的兩種翅片形式的空氣冷卻器

空氣冷卻器性能試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)通過測量空調(diào)箱(風(fēng)機(jī)盤管)進(jìn)出口水溫以及水的流量來計(jì)算得出水側(cè)換熱量;通過測量空調(diào)箱(風(fēng)機(jī)盤管)進(jìn)出口空氣的干濕球溫度,分別求得空氣在空調(diào)箱(風(fēng)機(jī)盤管)進(jìn)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(jìn)而得到空調(diào)箱(風(fēng)機(jī)盤管)的空氣側(cè)換熱量;通過電參數(shù)儀測得風(fēng)機(jī)功率。試驗(yàn)通過改變水溫參數(shù)可以獲得空調(diào)箱的變工況特性曲線,試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

從表2中列舉的數(shù)據(jù),可以得出下列結(jié)論。

(1)采用間斷型翅片的空調(diào)箱,其水側(cè)換熱量、空氣側(cè)換熱量、空氣側(cè)換熱量比空調(diào)箱輸入功率等指標(biāo)均優(yōu)于采用平翅片的空調(diào)箱。

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

3 結(jié)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(shù)值計(jì)算和換熱性能對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果分析,依據(jù)對(duì)流換熱的場協(xié)同原理,可以得到下列一些結(jié)論。

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

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

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

[1] 過增元,黃素逸等.場協(xié)同原理與強(qiáng)化傳熱新技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2] CH EN Q,REN JX,GUO Z Y.Field synergy analysis and op timization of decontam ination designs[J].Int JHeatMass T ransfer,2008,51:873-881.

[3] CROCE G,AGARO P D.Numerical analysis of forced convection in p late and frame heat exchangers [J].Int JNumerical Methods Heat Fluid Flow,2002, 12(6):756-771.

[4] TAO W Q,JiN W W,HE Y L,et al.Optimum design of two-row slotted fin surface w ith X-shape strip arrangement positioned,front coarse and rear dens principle,part I:physical/mathematical models and numericalmethods.Numerical[J].Heat Transfer Part A,2006,50:731-749.

[5] TAO W Q,CHENG Y P,LEE T S.The influence of strip location on the p ressure d rop and heat transfer performance o f a slotted fin.Numerical[J].Heat Transfer Part A,2007,52:463-480.

[6] 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002.