楊云龍，朱晨宇，秦玉華，陳博

(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

換熱器在各行各業(yè)里有著廣泛的使用，對于熱泵系統(tǒng)而言，它由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機三大核心部件構(gòu)成。蒸發(fā)器與冷凝器都屬于換熱器的一種，若系統(tǒng)中采用結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益。本章主要通過對換熱理論的進一步分析，結(jié)合廢熱蒸發(fā)器設(shè)計的主要技術(shù)問題，設(shè)計適用于高校浴池高溫廢氣熱回收的空氣蒸發(fā)器。通過調(diào)整雙折式換熱器翅片角度、翅片間距等設(shè)計參數(shù)，使得空氣與蒸發(fā)器之間接觸充分，減少流動阻力。運用Fluent數(shù)值模擬研究不同參數(shù)的翅片狀況，進行對比分析得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)學(xué)模型

通過對換熱器強化換熱分析，提高蒸發(fā)器換熱的有效途徑主要是：一、加大蒸發(fā)器對空氣能的吸收；二、盡可能減少蒸發(fā)器損失。一定尺寸的蒸發(fā)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(fā)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(nèi)制冷劑的換熱，相應(yīng)的蒸發(fā)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(jié)構(gòu)

相關(guān)研究表明換熱器的管排數(shù)一般為n=2～6排，換熱器設(shè)計結(jié)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(shù)為n=1，單排管不但合理的適應(yīng)了浴室使用狀況而且減少了加工的難度，節(jié)省了材料。針對翅片高度也需要在一定合理的范圍內(nèi)，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(fā)器高度應(yīng)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(yōu)。翅片結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2 廢氣蒸發(fā)器整體模型結(jié)構(gòu)

3 模擬結(jié)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(jié)構(gòu)對空氣的阻力的影響，如圖3.16所示：(速度v=2m/s，環(huán)境溫度T=22℃)由速度矢量圖分析得出，空間域最左側(cè)入口速度大小和方向各點相同，但隨著空間域內(nèi)的變化，速度出現(xiàn)了方向不一致現(xiàn)象，但整體仍然為向右流動狀態(tài)。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(fā)生改變。上部翅片通道與空氣流動方向協(xié)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(chǎn)生大的轉(zhuǎn)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(chǎn)生了旋渦區(qū)發(fā)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(shù)。衡量換熱器表面換熱效果好壞的指標不僅是努謝爾數(shù)和換熱器結(jié)構(gòu)阻力兩方面，更多為場協(xié)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(xié)同程度越好，換熱效果也越明顯。

4 結(jié)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(huán)境熱污染。通過分析浴池廢氣排放特性，結(jié)合換熱器強化換熱技術(shù)手段，提出了適合高校浴池廢氣蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)-“Z”字形雙折式蒸發(fā)器。運用數(shù)值模擬技術(shù)手段，改變了翅片角度和間距，發(fā)現(xiàn)翅片角度為45°，翅片間距為6.5mm時，翅片管努賽爾數(shù)最高，其速度場與溫度場協(xié)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(xué),2003.