空调空气冷却器间断型翅片和平翅片的传热效果对比

唐景春,马骋骋,宿向超,王学会,倪宜华

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009)

空气冷却器是空气调节工程中的重要设备,冷却器的传热效果与翅片结构有很大关系,利用场协同原理设计的翅片可以强化传热,特别是在阻力增加的情况传热效果也可以有很大的改善,这是其他的强化方法,如减弱热边界层厚度、增加流体中的扰动或者减弱速度边界层厚度无法做到的[1-5]。本文针对空调工程中空气冷却器翅片表面换热的传热理论计算模型,运用数值传热学和流体力学的方法确定翅片表面温度和速度的分布规律;并根据场协同原理改进速度场与温度场梯度之间的协同程度,通过减小速度矢量与温度场梯度矢量之间的夹角,改善传热与流体流动的耦合情况。通过试验验证空气冷却器不同的翅片结构对空调系统性能指标的影响,从而优化翅片表面结构形式。

1 空气冷却器对流换热的模型与仿真

对流换热的能量方程为:

式中:λ是流体介质的导热系数,ρ是密度,cp是比热容,﹒q是内热源强度。

对于二维热边界问题,对(1)式进行整理后可得无因次关系式:

在翅片管式冷却器中,由(2)和(3)两式可以看出,在速度与温度梯度一定(或Re和Pr不变)的条件下,减小速度与温度梯度之间的夹角β,能够提高积分的数值,从而使Nu增大,即增大对流换热的表面传热系数αo。所以在热和流体流动边界及初始条件一定的情况下,通过改变换热翅片表面的结构形式,可以改变β值,从而改变αo值。

根据无滑移边界条件,贴壁流体是完全滞止的。因此,壁面与流体之间的热量传递在通过这一层“静止的”的流体时只能够依靠导热方式,通过该层流体所传递的局部热流密度既可以运用傅里叶导热定律也可以运用牛顿冷却公式计算,即:

该式清楚地揭示出对流换热问题的表面传热系数归根结底是通过壁面上温度梯度求得的。下面对间断型翅片和平翅片的表面温度场及速度场进行数值计算。

二维纳维-斯托克斯动量方程是非线性的偏微分方程组,一般情况下(非线性项不等于零)要在整个流场范围内求得它的解析解是极其困难的[6]。根据普朗特的边界层理论,再补充连续性方程和能量方程,可得二维对流换热速度场和温度场的无量纲参数方程组如下:

取空气冷却器的换热管进水温度为7℃,翅片进风温度为27℃,风速为2.5 m/s,空气的重力加速度为9.81 m/s2。翅片所采用的材料特性:密度为2702 kg/m3,导热系数为237W/(m·K),定压比热容为903 J/(kg·K)。利用有限元分析软件Ansys仿真计算时,先分别定义单元类型为热分析模块 Therm al的Quad 4node 55和流体分析模块FLOTRAN的2D FLOTRAN 141,创建换热翅片几何模型并根据边界特点划分网格,采用三对角阵算法(TDMA),设定迭代次数为100,加载温度载荷求解,最后通过后处理接口Generral Postp roc得出平翅片和间断型翅片空气冷却器的翅片表面温度场、速度场及夹角β分别如图1和图2所示。

图1 平翅片的表面温度场、速度场及夹角β

对比分析图1与图2的仿真结果,可以得出下列结论:

(1)间断缝的存在加强了局部气流的扰动和翅片表面温度场的突变,而增加流体的扰动是强化换热表面开发的依据;

(2)间断型翅片的结构使得其表面局部温度场梯度与空气速度矢量的方向夹角β减小,根据场协同理论,表明间断型翅片的结构可以强化空气冷却器空气侧的传热。

2 两种冷却器的换热性能对比试验

两种翅片型式空气表冷器的对比试验系统由工况机组、表冷器、电加热器、电加湿器、测试本体、风机、冷水机组、恒温器、流量计等设备组成。对比试验所用的两种空气冷却器如图3所示,其中左侧为平翅片冷却器,右侧为桥式翅片冷却器。翅片材料为金属铝,传热管材料为紫铜。两种冷却器的传热管均按照叉排方式布置,并且传热管规格和总长、翅片数和厚度、翅片间距、管间距均相同。

图2 间断型翅片的表面温度场、速度场及夹角β

图3 对比试验采用的两种翅片形式的空气冷却器

空气冷却器性能试验工况如表1所示。

表1 试验工况

试验通过测量空调箱(风机盘管)进出口水温以及水的流量来计算得出水侧换热量;通过测量空调箱(风机盘管)进出口空气的干湿球温度,分别求得空气在空调箱(风机盘管)进出口的焓差;通过测试本体中喷嘴前后的压差及喷嘴前的压力,求得空气流量,进而得到空调箱(风机盘管)的空气侧换热量;通过电参数仪测得风机功率。试验通过改变水温参数可以获得空调箱的变工况特性曲线,试验的结果如表2所示。

表2 试验结果

从表2中列举的数据,可以得出下列结论。

(1)采用间断型翅片的空调箱,其水侧换热量、空气侧换热量、空气侧换热量比空调箱输入功率等指标均优于采用平翅片的空调箱。

(2)间断型翅片的空调箱在强化传热的同时,功耗却增加较少,更有利于节能和工程应用,基于强化对流换热的场协同原理,这也是间断型翅片的空气流场和温度场相互协同性好的一种具体表现。

3 结论

通过上述两种型式空气冷却器的翅片表面温度场及速度场的数值计算和换热性能对比试验的结果分析,依据对流换热的场协同原理,可以得到下列一些结论。

(1)速度场与温度场协同性好的空气冷却器增加了空气侧流体的局部扰动,实质是改善了速度矢量与温度梯度的协同程度,从而增加了空气侧的换热量。

(2)间断型翅片的空气冷却器,由于空气侧传热因子的增长率高于阻力系数的增长率,所以空气侧换热量/空调箱输入功率的性能指标上升,这有利于满足换热器的节能要求。

(3)为了进一步提高空气冷却器的翅片侧速度场与温度场的协同性,翅片开孔型式、疏密程度分布等方面均有待于进一步研究。

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