宋銘

摘 要：近年來，對于換熱器的傳熱問題，結(jié)合計算機技術(shù)和數(shù)值方法，發(fā)展了許多數(shù)值傳熱學(xué)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(guān)鍵詞：翅片管換熱器；計算機模擬；冷凝器；蒸發(fā)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(fā)器和冷凝器，作為制冷劑與被冷卻介質(zhì)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(shù)值模擬

翅片管換熱器作為目前空調(diào)最常用的換熱器，能廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)，翅片管換熱器結(jié)構(gòu)簡單、便于加工，使其在制冷空調(diào)、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。研究表明，翅片管換熱器管內(nèi)熱阻∶銅管翅片的接觸熱阻∶管外空氣側(cè)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(jié)果表明，前者的模擬結(jié)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(xué)的何雅玲等人采用數(shù)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(shù)、翅片間距、管排數(shù)、橫向和縱向的管間距進行了考察，并引入場協(xié)同理論分析了數(shù)值模擬的結(jié)果。

2016年，Zhang等人采用分布參數(shù)法對用于三股流換熱的翅片管換熱器的性能進行了數(shù)值模擬計算，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，提出新型的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。模擬計算流程如圖1所示。

2016年，韓國學(xué)者Jung等人提出了空調(diào)系統(tǒng)中翅片管換熱器制冷劑與空氣側(cè)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(zhì)量、動量和能量方程，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)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(zhì)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(cè)的換熱特性進行了數(shù)值模擬分析，針對不同開孔尺寸、開孔數(shù)目、翅片間距下空氣側(cè)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(jié)束語

計算流體力學(xué)和傳熱學(xué)的快速發(fā)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(nèi)外學(xué)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(shù)值模擬的發(fā)展起了至關(guān)重要的作用。然而，目前對于數(shù)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(zhì)過程的進行，換熱系數(shù)隨著流動干度的變化而變化，而針對管內(nèi)側(cè)兩相流動與傳熱的預(yù)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(huán)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(yīng)更加注重機理性的實驗驗證。

對于制冷系統(tǒng)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(tǒng)的整體效率，應(yīng)綜合考慮壓縮機、內(nèi)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(fēng)機風(fēng)量等，從而使系統(tǒng)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(shù)值模擬精確度的同時，應(yīng)降低模擬的復(fù)雜程度，提高運算效率，并將換熱器的數(shù)值模擬運用于系統(tǒng)的整體運行動態(tài)模擬中，以獲取系統(tǒng)整體多變量之間的非線性最優(yōu)化耦合，為制冷/熱泵系統(tǒng)的設(shè)計計算提供有力的理論指導(dǎo)。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕