李豐 羅彬 李兆輝 馬志恒 趙日晶 黃東

1.西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系 陜西西安 710049；

2.美的暖通與樓宇事業(yè)部研發(fā)中心 廣東佛山 528311

1 引言

在中央空調(diào)室內(nèi)機(jī)的各類機(jī)型中，風(fēng)管機(jī)的市場(chǎng)占比已達(dá)69%，其占地空間小，安裝美觀，風(fēng)量循環(huán)范圍大，已成為家居裝置的首選。第一代風(fēng)管機(jī)采用斜I型換熱器，體積較大；第二代風(fēng)管機(jī)主要采用V型分段拼接換熱器，上下兩段間需要鈑金件連接，組裝工藝復(fù)雜，且分段結(jié)構(gòu)不利于排水，在離心風(fēng)機(jī)風(fēng)場(chǎng)不均勻時(shí)換熱性能無(wú)法充分發(fā)揮（圖1）。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種C型換熱器（圖2），采用非均勻翅寬分布與風(fēng)速分布相匹配，采用連續(xù)型翅片及最速輪廓線設(shè)計(jì)提高排水能力，采用表面結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步強(qiáng)化換熱，本文主要研究C型翅片表面強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱設(shè)計(jì)。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)管機(jī)換熱器結(jié)構(gòu)

圖2 C型換熱器風(fēng)管機(jī)

換熱器的翅片表面常設(shè)有波紋、開(kāi)窗、橋縫、丁泡等強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，根據(jù)換熱量和壓降的要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)及尺寸。為了設(shè)計(jì)和加工方便，這些結(jié)構(gòu)在翅片表面通常是均勻分布的，即適用于均勻風(fēng)場(chǎng)下的換熱強(qiáng)化，而在非均勻風(fēng)場(chǎng)下，換熱性能會(huì)大幅衰減。Song等[1]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，家用空調(diào)的蒸發(fā)器在非均勻風(fēng)場(chǎng)下?lián)Q熱性能衰減7.78%。李權(quán)旭等[2]的仿真結(jié)果表明，來(lái)流風(fēng)速呈中三角、上三角和下三角分布時(shí)蒸發(fā)器的換熱量分別比均勻來(lái)流衰減8.5%、34.3%和35.3%。由于風(fēng)管機(jī)流道為低矮空間，風(fēng)機(jī)與換熱器之間距離較短，且離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)不均勻，使得表面結(jié)構(gòu)均勻分布的V型換熱器換熱性能下降，因此需要設(shè)計(jì)非均勻來(lái)流下?lián)Q熱器的優(yōu)化方案。

V型換熱器作為蒸發(fā)器使用時(shí)還存在凝露或結(jié)霜的問(wèn)題，其排水性能的優(yōu)劣直接影響換熱性能。冷凝水的滯留會(huì)增加換熱器的風(fēng)阻和熱阻，風(fēng)速較大時(shí)還可能形成“吹水”。V型換熱器由上下兩段組成，表面冷凝水無(wú)法連續(xù)流動(dòng)，排水效果較差，改用整體式結(jié)構(gòu)的換熱器能夠顯著增強(qiáng)排水性能。此外，表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)排水產(chǎn)生影響，較多的開(kāi)縫開(kāi)窗會(huì)增加冷凝水的滯留量，因此在設(shè)計(jì)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)時(shí)需要綜合考慮傳熱強(qiáng)化和排水性能。

2 C型翅片表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)速分區(qū)

風(fēng)管機(jī)內(nèi)風(fēng)速分布不均勻主要和離心風(fēng)機(jī)出風(fēng)角度有關(guān)，由于安裝位置受限，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口到換熱器的距離較短，且出風(fēng)口有向下的偏流（圖3），同時(shí)低矮風(fēng)道內(nèi)的邊界層發(fā)展使得近壁面風(fēng)速較小，因此換熱器的來(lái)流風(fēng)速近似呈拋物線分布。采用C型換熱器后雖然風(fēng)場(chǎng)均勻性得到了改善（圖4），但近壁面的風(fēng)速仍然較小，因此在設(shè)計(jì)表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮風(fēng)速分區(qū)。換熱器翅片強(qiáng)化結(jié)構(gòu)種類較多，不同結(jié)構(gòu)對(duì)換熱強(qiáng)化的增幅不同，但同時(shí)也會(huì)增大壓降，因此在風(fēng)速不同的區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)有差別。

圖3 V型換熱器風(fēng)場(chǎng)分布

圖4 C型換熱器風(fēng)場(chǎng)分布

考慮到橋縫對(duì)傳熱強(qiáng)化和壓降增幅均相對(duì)溫和，C型翅片的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)以橋縫為主。通常在高風(fēng)速區(qū)換熱系數(shù)較大，需要布置的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)較少；低風(fēng)速區(qū)換熱系數(shù)較小，需要布置更多的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。風(fēng)速分區(qū)越精確，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的布置越合理，但過(guò)多分區(qū)不利于加工制造，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)速分布，將翅片劃分為高風(fēng)速區(qū)和低風(fēng)速區(qū)（圖5），高風(fēng)速區(qū)風(fēng)速1～2 m/s，低風(fēng)速區(qū)0.2～1 m/s，分別對(duì)兩個(gè)風(fēng)速區(qū)的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此外，低風(fēng)速區(qū)使用較小管間距（14 mm）以提升換熱量，高風(fēng)速區(qū)使用較大管間距（18 mm）以減小壓降。

圖5 C型翅片風(fēng)速分區(qū)

2.2 Taguchi方法優(yōu)化橋縫參數(shù)

Taguchi方法是依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理提出的一種優(yōu)化方法，可以有效減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，快速尋找最優(yōu)的參數(shù)組合，使得整體性能達(dá)到最優(yōu)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用。對(duì)流動(dòng)和傳熱進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通常選取j因子作為傳熱指標(biāo)，f因子作為壓降指標(biāo)：

其中，h為空氣側(cè)換熱系數(shù)，Dh為特征直徑，L為流道長(zhǎng)度，u為來(lái)流風(fēng)速。為綜合考慮傳熱和壓降，采用相同泵功下的傳熱量JF因子進(jìn)行計(jì)算：

將Taguchi穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于C型翅片表面強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如圖6所示。管間距14 mm和18 mm，管內(nèi)徑5 mm作為固定參數(shù)；橋縫高度、寬度、數(shù)目這3個(gè)形狀參數(shù)為待優(yōu)化參數(shù)；入口風(fēng)速為信號(hào)因子，在0.2～2 m/s之間變化；換熱器性能JF因子隨形狀參數(shù)和信號(hào)因子變化。

圖6 Taguchi穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)方法

橋縫寬度、高度和數(shù)量均設(shè)有三個(gè)水平（表1），采用L9正交表記錄9個(gè)翅片原型對(duì)應(yīng)的性能結(jié)果，每個(gè)原型分別在不同的信號(hào)水平（u=0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2 m/s）下進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)；在每個(gè)信號(hào)水平下，依2個(gè)干擾條件（St=14, 18 mm）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此每個(gè)原型共進(jìn)行20次計(jì)算，且對(duì)中部高風(fēng)速區(qū)和上下側(cè)低風(fēng)速區(qū)分別進(jìn)行。

表1 橋縫設(shè)計(jì)的控制因子及水平

信噪比（SN）是Taguchi分析中的重要參數(shù)，由正交表實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到，SN比越大，換熱器性能越穩(wěn)定，其計(jì)算式為：

適配器模式由Target(目標(biāo)抽象類)、Adapter(適配器類)和Adaptee(適配者類)三部分組成，其中，Target類中定義了客戶所需的接口[4]；Adaptee定義了一個(gè)已經(jīng)存在的接口，它包含了客戶希望使用的業(yè)務(wù)方法，此接口需要適配；而Adapter是此模式的核心，它將對(duì)Adaptee和Target進(jìn)行適配。

采用FLUENT對(duì)各種翅片原型進(jìn)行模擬，管表面溫度為45℃，進(jìn)風(fēng)溫度為20℃，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速按實(shí)測(cè)進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置。調(diào)用流動(dòng)及傳熱模塊，選用SIMPLEC算法，壓力項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式。如圖7所示，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)翅片區(qū)域的空氣域進(jìn)行加密，上游和下游空氣域較疏，總網(wǎng)格數(shù)約400萬(wàn)。

圖7 網(wǎng)格劃分

表2為低風(fēng)速區(qū)對(duì)應(yīng)的SN，貢獻(xiàn)率體現(xiàn)了各控制因子對(duì)換熱器性能JF因子的影響，其值為控制因子各水平間最大的SN差異R的占比?？梢钥闯?，影響最大的是橋縫數(shù)目（36.4%），其次是橋縫寬度（33.6%），橋縫高度影響最?。?0.0%）。

表2 低風(fēng)速區(qū)SN及貢獻(xiàn)率

Taguchi方法追尋最大化SN，表2顯示，當(dāng)控制因子A取水平3時(shí)SN最大，B因子取水平3時(shí)SN最大，C因子取水平1時(shí)SN最大，因此最佳組合是A3B3C1，即橋?qū)?.4 mm，橋高0.6 mm，橋數(shù)為4時(shí)低風(fēng)速區(qū)性能最佳。

高風(fēng)速區(qū)的計(jì)算結(jié)果如表3，影響傳熱性能最大的是橋縫數(shù)目，高風(fēng)速區(qū)的最佳組合是A2B3C3，即橋?qū)?.2 mm，橋高0.6 mm，橋數(shù)為2時(shí)性能最佳。

表3 高風(fēng)速區(qū)SN及貢獻(xiàn)率

通過(guò)以上優(yōu)化計(jì)算可知，翅片表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)來(lái)流風(fēng)速的大小區(qū)別對(duì)待。高風(fēng)速區(qū)換熱系數(shù)處于較高水平，可采用較少的橋縫降低壓降；低風(fēng)速區(qū)傳熱較差，可采用較多、較細(xì)的橋縫增加擾動(dòng)，提升傳熱性能。

2.3 不同翅片方案換熱對(duì)比

經(jīng)過(guò)Taguchi優(yōu)化計(jì)算，初步確定了高低風(fēng)速區(qū)各自最佳的橋?qū)?、橋高和橋?shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮管排的分布對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)兼顧強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)排水的影響。按優(yōu)化所得參數(shù)設(shè)計(jì)并挑選了5組方案進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。使用FLUENT進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)置同上，計(jì)算所得溫度場(chǎng)如圖9，換熱量及壓降如表4。

表4 5種翅片方案的換熱及壓降

圖8 5種翅片方案

圖9 5種翅片方案的溫度場(chǎng)

方案1為原方案，其它方案均在其上進(jìn)行了略微調(diào)整。方案2將原方案兩側(cè)區(qū)域的橋縫由三排改為了四排，發(fā)現(xiàn)壓降增加12%，換熱提升7%，流經(jīng)換熱器的氣流分布更均勻。方案3將方案2兩側(cè)區(qū)域的四排橋縫高度設(shè)置不一致，兩邊橋高0.6 mm，中間兩橋高0.4 mm，發(fā)現(xiàn)比原方案換熱增加2%，風(fēng)阻增加25%。方案4考慮了換熱器凝結(jié)水的排放問(wèn)題，局部區(qū)域使用丁泡代替寬度小于4.5 mm的橋縫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丁泡的引入后較原方案壓降增加8%，換熱增加3.8%，且對(duì)排水有利。方案5的中間區(qū)域改為叉排布置，顯著提高了高風(fēng)速區(qū)的換熱效果。

總體而言，單個(gè)翅片仿真能夠顯示局部換熱效果的優(yōu)劣以及出口風(fēng)速分布的均勻度，對(duì)翅片的局部結(jié)構(gòu)調(diào)整能夠增強(qiáng)該部分的換熱效果。在換熱器的中間高風(fēng)速區(qū)適當(dāng)增加管排數(shù)和橋數(shù)，以及采用叉排代替順排，都能有效增強(qiáng)換熱。但過(guò)于復(fù)雜的換熱結(jié)構(gòu)會(huì)大大增加中間部分的風(fēng)阻，使得該部分的風(fēng)量減少，從而導(dǎo)致整體換熱能力不一定增加，因此有必要對(duì)多種方案進(jìn)行仿真比較。

2.4 橋縫排水仿真

濕工況的冷凝水排放也是翅片設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題，選取C型翅片表面的橋縫區(qū)域進(jìn)行排水仿真，計(jì)算域前后面為對(duì)稱邊界，其余面為壓力邊界，初始時(shí)刻計(jì)算域充滿水，在重力作用下自然排出。調(diào)用FLUENT中的VOF模型，流動(dòng)采用k-ω模型，表面張力采用CSF模型，空氣-水的表面張力取0.074 N/m，翅片表面接觸角設(shè)為35°。壓力-速度耦合計(jì)算選擇PISO算法，壓力項(xiàng)離散采用PRESTO！格式，動(dòng)量方程離散采用二階迎風(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用Geo-Reconstruct。采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸0.1 mm，邊界層網(wǎng)格0.02～0.05 mm，網(wǎng)格數(shù)94萬(wàn)，時(shí)間步長(zhǎng)取10-6s，共計(jì)算0.3 s。

為對(duì)比不同橋縫數(shù)對(duì)排水的影響，選取了3橋和4橋翅片進(jìn)行計(jì)算，排水過(guò)程如圖10所示。如圖11所示，排水速率初始時(shí)刻較快，隨后逐漸變慢，3橋的排水效果明顯優(yōu)于4橋，0.3 s時(shí)殘留水量比4橋少14.2%。由于C型翅片上半?yún)^(qū)的冷凝水會(huì)沿著輪廓線向下排出，因此對(duì)底部區(qū)域的排水要求更高，設(shè)計(jì)時(shí)需要適當(dāng)減少底部的橋縫數(shù)量，在不對(duì)換熱造成較大影響的前提下，提升翅片的排水性能。

圖10 橋縫表面排水過(guò)程（藍(lán)色為水）

圖11 不同橋縫的殘留水量

2.5 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)Taguchi優(yōu)化和仿真對(duì)比，最終確定了圖12所示的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。雖然C型翅片輪廓上下對(duì)稱，但表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)并沒(méi)有對(duì)稱分布，也沒(méi)有均勻分布。首先考慮到來(lái)流風(fēng)速非均勻分布，將翅片分為了上下側(cè)低風(fēng)速區(qū)和中部高風(fēng)速區(qū)，低風(fēng)速區(qū)橋縫更密集，采用三橋或四橋；高風(fēng)速區(qū)橋縫較少，采用二橋或三橋；高低風(fēng)速區(qū)管間距不等，風(fēng)速小的區(qū)域管較密集，風(fēng)速大的區(qū)域管較稀疏；低風(fēng)速區(qū)采用2列管，高風(fēng)速區(qū)采用3列管。其次考慮到來(lái)流空氣在翅片前緣的換熱較好，沿程換熱下降，管間距采用了非等寬設(shè)計(jì)，前排管間距較大，后排管間距較小。最后考慮到冷凝水排放時(shí)從下緣流出，細(xì)小的橋縫結(jié)構(gòu)易存水，因此適當(dāng)減少了下端橋縫數(shù)量。此外，前后排管之間設(shè)有排間開(kāi)縫，阻斷管間的直接導(dǎo)熱，有利于翅片溫度均勻分布。

圖12 優(yōu)化后的C型翅片表面結(jié)構(gòu)

3 C型換熱器整機(jī)性能測(cè)試

根據(jù)翅片優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)了C型換熱器樣品如圖13所示，結(jié)構(gòu)尺寸如表5所示，替換V型換熱器后進(jìn)行性能測(cè)試。整機(jī)測(cè)試在焓差室中進(jìn)行，環(huán)境工況按風(fēng)管機(jī)APF標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了3.5 kW、5.1 kW、7.2 kW三種型號(hào)的風(fēng)管機(jī)，APF能效對(duì)比如圖14所示，成本對(duì)比如圖15所示，相比于V型換熱器，使用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的C型換熱器能效平均提升6.4%，換熱器成本平均降低14.5%。

圖13 測(cè)試用C型和V型換熱器

表5 C型換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖14 風(fēng)管機(jī)APF能效

圖15 風(fēng)管機(jī)內(nèi)機(jī)成本

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于風(fēng)管機(jī)的C型換熱器，在高低風(fēng)速區(qū)分別采用Taguchi方法進(jìn)行翅片表面強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取了5種方案進(jìn)行換熱仿真對(duì)比，對(duì)橋縫區(qū)域進(jìn)行了排水仿真，最后確定最優(yōu)方案并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試對(duì)比APF性能。主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)來(lái)流風(fēng)速分布，將翅片劃分為上下側(cè)低風(fēng)速區(qū)和中部高風(fēng)速區(qū)，使得強(qiáng)化結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì)精確匹配風(fēng)場(chǎng)分布。Taguchi優(yōu)化結(jié)果表明，低風(fēng)速區(qū)橋?qū)?.4 mm，橋高0.6 mm，橋數(shù)為4，高風(fēng)速區(qū)橋?qū)?.2 mm，橋高0.6 mm，橋數(shù)為2時(shí)性能最佳。

（2）優(yōu)化后的C型翅片在低風(fēng)速區(qū)采用2列管，高風(fēng)速區(qū)管采用3列管，管間距采用非等寬設(shè)計(jì)，前排管間距大，后排管間距小。翅片上下側(cè)采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)，上側(cè)橋縫多，下側(cè)橋縫少，有利于冷凝水從下緣排放。前后排管間設(shè)有開(kāi)縫，阻斷管間直接導(dǎo)熱，有利于翅片溫度均勻分布。

（3）相比于采用V型換熱器的風(fēng)管機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的C型換熱器可使APF能效平均提升6.4%，換熱器成本平均降低14.5%。