紧凑型设计5mm翅片管式换热器的数值模拟

        

    目前5mm管径的翅片片距通常处于1.2mm～1.3mm之间，通过紧凑式设计加工方法可以使其片距减少至0.8mm～1.0mm。本文我们将主要从理论分析、三维建模以及Fluent计算来进行分析对比翅片片距的减少对换热能力和空气压损两个方面的影响。    

   

 

1、引言      

       

空调产品的外形尺寸往往影响着成本、空间占有率和用户的满意度，因此紧凑式换热器设计成为趋势，将空调的关键零部件的外形尺寸和重量作为一个对标参数进行研究优化，减小外形体积和重量，改善产品的空间占有率，降低综合成本。

与传统换热器相比，紧凑型换热器优越性表现在：

（ 1 ）结构设计能诱使流体产生湍流流动以获得较高传热系数；

（ 2 ）阻止污垢形成使污垢系数较小；

（ 3 ）流程设计使冷、热流体间温差推动力达到最大值。

换热面积是表征换热器性能的一个最基本的特征，在相同的换热量和阻力要求下，换热面积越小，表明该换热器的性能越佳。因此，以换热面积最小为目标函数，以换热器的外形尺寸为优化参数对换热器进行优化。

而翅片间距是控制换热面积一个关键因素，在选择具有合理翅化比的换热器的翅片间距时还需考虑经济性和紧凑度等方面的因素。在高效紧凑和流动阻力的增加之间达到最优的效果，必须寻求最优的结构参数。受翅片效率和翅化比的约束，管间距的调整范围有限，翅片的片距成为主要的调节。

 

2、理论分析      

       

对于翅片管式换热器而言，空气侧的传热热阻较液体侧大，所以选择强化空气侧传热，加强翅片的对流换热以提高换热性能。

根据换热器计算过程，空气侧的迎风面积和表面传热系数对总传热系数的影响起主要作用，如公式（ 1 ）所示：

强化翅片传热，除了要考虑到翅片强化对流传热机理的不同，还要考虑到空气的流态， Re 决定了空气是层流或湍流。

（ 1 ）层流流动时，流体速度和温度曾抛物线分布，从流体核心到壁面都存在速度和温度梯度。

（ 2 ）湍流流动时，流体核心的速度场和温度场均比较均匀，对流换热的热阻主要出现在贴近壁面的流体粘性底层中，因此采取的对流换热强化措施是破坏边界层，即增加对边界层的扰动以减薄边界层的厚度，增强换热能力。

 

3、建模及数值计算      

       

本文主要研究和讨论的是平片与桥型翅片，先通过 Fluent 计算以下 4 个方面，分析紧凑式设计对换热器的性能和压损两者的影响趋势。

（ 1 ）桥片与平片相比换热增加量；

（ 2 ）翅片翻边与通过贴合处的接触线长对换热的影响；

（ 3 ）三种不同风速下的 1.0m/s 、 1.5m/s 、 2.0m/s 片距换热性能；

（ 4 ）同风速下以及等压降和等风速下的多排桥片换热能力趋势分析。

仿真方案设计，如表 1 、表 2 所示。离铜管越近，温度越高，在背风侧出现卡门涡街现象，数值模拟模型的仿真云图如图 1 所示，接触线模型如图 2 ，计算不同接触线长度在不同风速下的变化。

翅片仿真云图

翅片接触线模型建立

 

4、数据整理与分析      

       

（1）平片和桥片对比结果，如图3和图4所示。

相同片型，在同一风速下，   0.8mm   片距换热能力高于   1.2mm   ，但压损增加，且趋势更明显。相同片距，在同一风速下，桥片比平片的换热能力和压损高，且随着风速的增加，桥片和平片均随之增加。从图   3   和图   4   综合来看，   0.8mm   平片效果最合适。  

单位面积换热量

（2）接触线长对换热的影响，计算结果整理如表3。  

翅片翻边与铜管贴合的越好，即一般接触线越长，接触热阻越小，翅片的换热效率越高，如图 5 。图 5 处，在不同风速下，接触线长度在 0.3 处均出现下降，说明存在最佳接触线长，分析是翅片翻边与铜管接触线的长度和翅片的片距是一致的，因为翅片的片距是通过翅片翻边的高度来控制的，所以当接触线长度增长时，片距也在同步增加，相同的迎风面积下，接触线长度越大，片距也越大，会导致翅片片数减少，即单位面积换热量下降，其影响已经超过了接触热阻减小带来换热效率的改善。

翅片与铜管接触线长

（3）三种风速1.0、1.5、2.0的单排D5结果，如图6和图7。  

在相同风速的情况下，片距越小，换热能力越高，同时压损增加；相同的片距，风速越高，单位迎风面积换热量越高；相同的风速和片距，百叶窗比平片的换热好，压损大。从图 6 和图 7 综合来看， 0.8mm 平片效果最合适。

图6不同风速的单排D5单位面积换热量

图7不同风速的单排D5压损

（4）等风速下多排桥片，如图8和图9。

从温度云图可以看出，从第三排开始，翅片温度梯度很小，说明该区域的翅片与空气的换热很弱，计算也表明三种多排翅片的等迎风面积换热量差异很小，但是压降相差较大。 4P_D5_0.8 换热器综合性能差； 3P_D5_0.8 已可达到 5P_D5_1.2 的换热能力，但是压降较大，同等风机转速下，风速衰减未知，故差距待考察； 2P_D5_0.8 的能力比 3P_D5_1.2 接近，但压降要要高 25% 左右。

图8等风速—单位迎风面积换热量  

图9等风速—压损

（5）等压降下多排桥片，如图10和图11。

可以发现在同一压降下，片距相同，排数越少，单位面积换热越好，所需风速越低；排数相同，片距越大，单位面积换热越好，所需风速越低。通过无量纲表面传热系数 j 因子关系式，如公式（ 5 ），

将数值计算数据进行拟合，得出不同片距和风速下的   j   因子变化趋势。  

图10等压降—单位迎风面积换热量

图11等压降—风速

从图 12 中曲线我们可以发现，在风速一定时， j 因子随着片距的增大是先增加后减小的，所以存在一个最优解，即最优片距。

图12片距与j/f因子关系曲线图

另外，在片距相同时，风速越大， j 因子也越大， D5mm 管径翅片片距范围大概为 0.9 ～ 1.1mm 之间。

 

5、结论      

       

通过数据分析和曲线拟合，综合考虑性能与压损，   因实际情况，片距减小造成的翅片的空气流道变窄，风量减小，进一步影响了冷凝水和结灰等效果，保证性能的基础上，片距   1.0mm   是较优选择。

紧凑型小片距设计一方面因增加了空气侧换热面积使得换热能力提高，另一方面，因空气流道面积减小，空气侧雷诺数变小，进而空气侧表面传热系数降低，综合评估，换热器总传热系数与片距存在最优解，而该最优片距是满足加工成形要求的，需要考虑加工水平，翻边成形影响片距的一致性，关系到翅片与铜管之间接触热阻的大小。

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