宋 建 蔡家斌 熊賢沙 李家春

（貴州大學(xué)機械工程學(xué)院 貴州貴陽 550025）

空氣源熱泵技術(shù)常用于農(nóng)作物干燥，建筑供暖等領(lǐng)域，翅片管換熱器作為熱泵系統(tǒng)重要的一部分，對其進行研究有助于提高系統(tǒng)節(jié)能效益。李猛等［1］通過數(shù)值模擬方法研究了開縫翅片管換熱器開縫數(shù)量對換熱性能的影響，認(rèn)為翅片開縫數(shù)量應(yīng)考慮綜合流動換熱特性進行合理分配。也有研究認(rèn)為降低翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有利于降低空氣側(cè)壓降并減少積灰現(xiàn)象［2-3］。還有研究發(fā)現(xiàn)改變翅片結(jié)構(gòu)能提升換熱器換熱性能［4-5］。

根據(jù)波紋翅片管結(jié)構(gòu)對換熱器換熱性能的影響，利用CFD 技術(shù)構(gòu)建換熱器模型并進行數(shù)值模擬分析，探究翅片間距、翅片管縱向間距、翅片波紋高度對換熱器換熱機理研究。

1 模型建立與方法

1.1 模型建立

研究對象為常用波紋翅片管換熱器，翅片管材料為銅，翅片材料為鋁，3 排，叉排組合，翅片管結(jié)構(gòu)如圖1，為分析翅片結(jié)構(gòu)對換熱器性能影響，采用翅片間距、翅片管縱向間距、翅片波紋高度3 個指標(biāo)對翅片管換熱器進行數(shù)值模擬分析。翅片間距FP（1.5、2.0、2.5、3.0 mm），縱向間距S2（17.65、19.65、21.65、23.65 mm），翅片波紋高度GP（0.8、1.0、1.2、1.4 mm），假定進口流速、翅片換熱區(qū)域長度不變。

圖1 波紋翅片管換熱器結(jié)構(gòu)

以標(biāo)準(zhǔn)波紋翅片管作對比，參數(shù)如表1 所示，考慮翅片管換熱器的周期性和對稱性，簡化計算模型區(qū)域有助于減少計算時間，延長進口和出口域，減少空氣回流。

表1 標(biāo)準(zhǔn)翅片參數(shù) 單位：mm

現(xiàn)假設(shè)（1）空氣做不可壓縮流體處理；（2）不考慮輻射傳熱；（3）忽略空氣側(cè)材料接觸熱阻，流體在固體表面無滑移；（4）翅片根部與銅管外壁溫度相等；

計算模型的控制方程由連續(xù)性方程、動量方程和能力守恒方程組成［6］，建立模型后對其進行網(wǎng)格劃分，為使計算更加精確，對空氣與翅片接觸區(qū)域網(wǎng)格進行加密，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型、SIMPLE 算法進行計算。換熱器邊界條件設(shè)置：入口條件為速度入口，速度4 m/s，入口溫度為20℃；出口條件設(shè)置為outflow；銅管外壁溫度為7 ℃；空氣側(cè)與材料接觸面設(shè)置為流固耦合邊界；翅片上下設(shè)置為周期邊界periodic；其余面設(shè)置為對稱邊界，計算域及邊界條件如圖2所示，材料物性如表2所示。

圖2 翅片計算域及邊界條件設(shè)置

表2 材料物性參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

此次波紋管翅式換熱器性能評判標(biāo)準(zhǔn)由阻力系數(shù)，換熱因子確定，阻力系數(shù)越大，代表流通阻力和系統(tǒng)機械能耗越大；換熱因子越大，代表換熱性能越好，相關(guān)公式如下.

式1～4 中：υm為最小截面流速；de為當(dāng)量直徑；μ空氣動力粘度，取 η = 1.8 × 10-5kg/(m?k)；h為空氣側(cè)換熱系數(shù)；λ 為導(dǎo)熱率；Δp為進出口壓降；翅片流域長度L= 0.064 92 m；Pr為普朗特數(shù)，取0.7。

2 結(jié)果與分析

2.1 翅片間距對換熱性能的影響

2.1.1 翅片間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

由圖3可知，隨著翅片間距的增大，阻力系數(shù)逐漸減小，這是因為進口流速相同時，片間距增大會使空氣流通域增大，導(dǎo)致流域內(nèi)空氣流速梯度減小，空氣流動所受阻礙降低，壓降隨之減小，空氣粘性力減小，從而導(dǎo)致阻力系數(shù)減小。

圖3 翅片間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

2.1.2 翅片間距對換熱因子和換熱量的影響

由圖4可知，翅片間距增大會引起換熱因子降低，這是由于翅片間距增大，相當(dāng)于減少換熱面積，換熱量減少，換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也相應(yīng)減少。減少翅片間距雖然有利于增強換熱器性能，但也會導(dǎo)致阻力系數(shù)增加，增加風(fēng)機等系統(tǒng)能耗，因此，翅片間距應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)性能綜合考慮。

圖4 翅片間距對換熱因子和換熱量的影響

2.2 縱向間距對換熱性能的影響

由圖5可知，隨著縱向間距增大，阻力系數(shù)和壓降總體平緩，這是因為流道總體復(fù)雜程度并沒有發(fā)生較大改變，流體在流道中的流速數(shù)變化小，因此，對出口后的壓力影響較小。由圖6可知，縱向間距改變不會引起換熱面積改變，計算過程中空氣側(cè)的水力直徑不變，對流體雷諾數(shù)影響較小，但換熱因子和換熱量在縱向間距增大情況下有輕微提升，這是因為縱向間距增大變相增加了空氣在換熱器內(nèi)流動時的換熱域?？偟膩碚f，改變縱向間距以增強換熱器換熱性能效果不大。

圖5 縱向間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

圖6 縱向間距對換熱因子和換熱量的影響

2.3 波紋高度對換熱性能的影響

由圖7可以看出，隨著波紋高度的增加，阻力系數(shù)增大，這是因為波紋高度增加，提高了空氣在流域內(nèi)運動的復(fù)雜程度，增大了流體的湍流特性，導(dǎo)致進出口壓降增大，阻力系數(shù)增大。由圖8可以看出，隨著波紋高度增加，換熱量增大。這是因為波紋高度增加變相增大了翅片換熱面積，提升了過程中的換熱量，空氣側(cè)雷諾數(shù)增大。總的來說，增加波紋高度有助于提升換熱器的換熱性能，但同時也要考慮阻力系數(shù)增大帶來的不利影響。

圖7 波紋高度對阻力系數(shù)和壓降的影響

圖8 波紋高度對換熱因子和換熱量的影響

3 結(jié)論

利用CFD 計算對空氣側(cè)翅片管換熱器換熱過程進行數(shù)值模擬分析，研究不同翅片結(jié)構(gòu)對換熱器性能的影響，結(jié)果如下。

翅片間距和波紋高度對翅片管換熱器換熱性能影響較大，翅片間距減小和波紋高度增大都有助于提升換熱效果，但同時也會增大換熱器阻力系數(shù)，增加系統(tǒng)負載。翅片管縱向間距對換熱器流道的復(fù)雜程度影響較小，縱向間距的改變不會使換熱器換熱性能有較大改變?？偟膩碚f，對波紋翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)換熱量、阻力系數(shù)等因素，選擇合適的翅片結(jié)構(gòu)提升換熱器性能。