空气循环制冷系统中板翅式换热器性能的数值模拟
2014-08-16 15:09凌睿郭宪民张中芳
绿色科技 2014年6期
凌睿++郭宪民++张中芳
摘要：运用CFD软件对锯齿形板翅式换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同工况条件对换热器性能的影响。模拟结果表明：用CFD软件计算出的换热器内冷热流体速度、温度和压力场变化趋势是合理的，换热器效率模拟值随其冷边空气流量的增加而增大；空气在热流体域中有一定的压力损失，而冷流体域中的压力几乎不变。
关键词：空气制冷循环；板翅式换热器；换热效率
中图分类号：TB657.5
文献标识码：A 文章编号：16749944（2014）06031503
1 引言
空气循环制冷系统长期以来主要应用于飞机空调系统。随着空气制冷理论的发展，以及透平膨胀机、高效紧凑式热交换器和空气轴承的发展，空气循环制冷系统的性能有了显著提高。在-80～-50℃温区空气循环制冷系统性能系数与复叠式压缩制冷循环相当。随着CFC及HCFC类工质的禁用，空气制冷系统再次成为研究的热点。板翅式换热器是空气循环制冷系统的关键部件之一，对其性能进行深入的研究对提高空气循环制冷系统的性能具有重要意义。
对锯齿形板翅式换热器的研究早期以Wieting[1]为代表。根据当时已有的文献为理论基础，Wieting通过实验提出了传热因子和摩擦因子的两种关联式。甘建德[2]对板翅式机油换热器的结构对传热性能的影响进行了研究，建立了机油换热器的数学模型，得到了机油换热器优化设计的结果。建立板翅式换热器的数学模型，并对其进行理论研究，深入地了解换热器内部的传热机理，可以更加深刻地知道板翅式换热器内部的流体的运动状况。对板翅式换热器采用数值模拟的方法可以对板翅式换热器在各种工况下的运行情况进行相当可靠的预测，还能为换热器的实验研究提供理论性的指导。锯齿形翅片是紧凑式换热器中最常见的翅片形式之一。在流体流动的过程中，流体热边界层在上一翅片段还没有得到充分的发展时就被下一错位的翅片所破坏，从而增强了换热。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]对锯齿形翅片进行了数值计算和实验研究。数值计算得出的Nu和摩擦因子与实验值有20%的误差。Amon和Mikic[4]对锯齿形翅片的流动和传热特性进行了数值模拟，得到在某一临界雷诺数时，流体流动出现波动，并且传热性能增大的幅度相对于压力损失来说更明显。Balachandar和Parker[5]采用数值模拟的方法对上游翅片的尾涡产生进行了分析，对单个翅片和锯齿形翅片组进行了比较并发现，锯齿形翅片组产生尾涡的临界雷诺数相对要小。
本文运用CFD软件，对空气循环制冷系统中板翅式换热器的换热性能进行了数值模拟，分析了不同工况条件对其换热效率的影响。
2 数值模拟计算
2.1 物理模型的建立
锯齿形板翅式换热器模型示意图如图1所示，它是由换热器冷通道和热通道叠加钎焊而成。
换热器在实际应用中外面会做保温，整个外壳是绝热的。但在模拟过程中，为了简化物理模型，忽略最外层绝热的影响，把换热器的换热看成是周期性的换热过程。综合考虑换热器的整体结构具有周期性，考虑到流动和换热的周期性问题，也为了提高计算速度和网格密度，利用SolidWorks建立的本文计算对象为图1中虚线包围的区域，即选取了换热器的一个冷通道（即环境空气侧）和两个半个热通道（即压缩空气侧）。截取出来的计算区域如图1所示。本章板翅式换热器芯体结构示意图如图1 所示，其中冷边和热边均为锯齿形翅片，芯体的流动方式为交错流式。环境空气（冷边空气）从板翅式换热器的中间通道流过，将热量通过换热过程（对流和导热）传给翅片及与其钎焊成一体的隔板。压缩空气（热边空气）从板翅式换热器上下两个半个通道流过，通过与翅片及与其钎焊成一体的隔板换热将热空气传来的热量带走。
从图4可以看到整个热流体域计算区域内的相对压力变化情况：热流体域主体换热区域以及集气部分的相对压力变化不大，在热流体域进出口处的相对压力有一定的变比，大概有25Pa左右的压降。这说明空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
2.4 换热器效率模拟值
当换热器热边进口流量为360kg/h，改变换热器冷边流量对换热器进行了模拟，得到换热器效率随着换热器冷边空气流量的变化曲线如图5所示。
从图5可以看出，随着换热器冷边空气流量的增大，换热器效率是增大的。当冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/时，换热器的效率也从51%增加到78%。
3 结论
应用CFD软件，对锯齿形板翅式换热器在变工况下的换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同的工况条件对换热器性能的影响，结论如下。
（1）随着换热器冷边空气流量的增大，换热效果增强，沿流动方向温度值在不断降低，且在接近翅片附近热空气的温度值越低。换热器热流体域的温度变化越大，换热器热边出口温度越低，换热效率增大。
（2）空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
（3）当换热器热边进口流量为360kg/h时，随着冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/，换热器的效率也从51%增加到78%。
参考文献：
[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.
[2] 甘建德.板翅式机油冷却器结构对传热性能的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.
[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.
[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint
摘要：运用CFD软件对锯齿形板翅式换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同工况条件对换热器性能的影响。模拟结果表明：用CFD软件计算出的换热器内冷热流体速度、温度和压力场变化趋势是合理的，换热器效率模拟值随其冷边空气流量的增加而增大；空气在热流体域中有一定的压力损失，而冷流体域中的压力几乎不变。
关键词：空气制冷循环；板翅式换热器；换热效率
中图分类号：TB657.5
文献标识码：A 文章编号：16749944（2014）06031503
1 引言
空气循环制冷系统长期以来主要应用于飞机空调系统。随着空气制冷理论的发展，以及透平膨胀机、高效紧凑式热交换器和空气轴承的发展，空气循环制冷系统的性能有了显著提高。在-80～-50℃温区空气循环制冷系统性能系数与复叠式压缩制冷循环相当。随着CFC及HCFC类工质的禁用，空气制冷系统再次成为研究的热点。板翅式换热器是空气循环制冷系统的关键部件之一，对其性能进行深入的研究对提高空气循环制冷系统的性能具有重要意义。
对锯齿形板翅式换热器的研究早期以Wieting[1]为代表。根据当时已有的文献为理论基础，Wieting通过实验提出了传热因子和摩擦因子的两种关联式。甘建德[2]对板翅式机油换热器的结构对传热性能的影响进行了研究，建立了机油换热器的数学模型，得到了机油换热器优化设计的结果。建立板翅式换热器的数学模型，并对其进行理论研究，深入地了解换热器内部的传热机理，可以更加深刻地知道板翅式换热器内部的流体的运动状况。对板翅式换热器采用数值模拟的方法可以对板翅式换热器在各种工况下的运行情况进行相当可靠的预测，还能为换热器的实验研究提供理论性的指导。锯齿形翅片是紧凑式换热器中最常见的翅片形式之一。在流体流动的过程中，流体热边界层在上一翅片段还没有得到充分的发展时就被下一错位的翅片所破坏，从而增强了换热。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]对锯齿形翅片进行了数值计算和实验研究。数值计算得出的Nu和摩擦因子与实验值有20%的误差。Amon和Mikic[4]对锯齿形翅片的流动和传热特性进行了数值模拟，得到在某一临界雷诺数时，流体流动出现波动，并且传热性能增大的幅度相对于压力损失来说更明显。Balachandar和Parker[5]采用数值模拟的方法对上游翅片的尾涡产生进行了分析，对单个翅片和锯齿形翅片组进行了比较并发现，锯齿形翅片组产生尾涡的临界雷诺数相对要小。
本文运用CFD软件，对空气循环制冷系统中板翅式换热器的换热性能进行了数值模拟，分析了不同工况条件对其换热效率的影响。
2 数值模拟计算
2.1 物理模型的建立
锯齿形板翅式换热器模型示意图如图1所示，它是由换热器冷通道和热通道叠加钎焊而成。
换热器在实际应用中外面会做保温，整个外壳是绝热的。但在模拟过程中，为了简化物理模型，忽略最外层绝热的影响，把换热器的换热看成是周期性的换热过程。综合考虑换热器的整体结构具有周期性，考虑到流动和换热的周期性问题，也为了提高计算速度和网格密度，利用SolidWorks建立的本文计算对象为图1中虚线包围的区域，即选取了换热器的一个冷通道（即环境空气侧）和两个半个热通道（即压缩空气侧）。截取出来的计算区域如图1所示。本章板翅式换热器芯体结构示意图如图1 所示，其中冷边和热边均为锯齿形翅片，芯体的流动方式为交错流式。环境空气（冷边空气）从板翅式换热器的中间通道流过，将热量通过换热过程（对流和导热）传给翅片及与其钎焊成一体的隔板。压缩空气（热边空气）从板翅式换热器上下两个半个通道流过，通过与翅片及与其钎焊成一体的隔板换热将热空气传来的热量带走。
从图4可以看到整个热流体域计算区域内的相对压力变化情况：热流体域主体换热区域以及集气部分的相对压力变化不大，在热流体域进出口处的相对压力有一定的变比，大概有25Pa左右的压降。这说明空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
2.4 换热器效率模拟值
当换热器热边进口流量为360kg/h，改变换热器冷边流量对换热器进行了模拟，得到换热器效率随着换热器冷边空气流量的变化曲线如图5所示。
从图5可以看出，随着换热器冷边空气流量的增大，换热器效率是增大的。当冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/时，换热器的效率也从51%增加到78%。
3 结论
应用CFD软件，对锯齿形板翅式换热器在变工况下的换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同的工况条件对换热器性能的影响，结论如下。
（1）随着换热器冷边空气流量的增大，换热效果增强，沿流动方向温度值在不断降低，且在接近翅片附近热空气的温度值越低。换热器热流体域的温度变化越大，换热器热边出口温度越低，换热效率增大。
（2）空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
（3）当换热器热边进口流量为360kg/h时，随着冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/，换热器的效率也从51%增加到78%。
参考文献：
[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.
[2] 甘建德.板翅式机油冷却器结构对传热性能的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.
[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.
[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint
摘要：运用CFD软件对锯齿形板翅式换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同工况条件对换热器性能的影响。模拟结果表明：用CFD软件计算出的换热器内冷热流体速度、温度和压力场变化趋势是合理的，换热器效率模拟值随其冷边空气流量的增加而增大；空气在热流体域中有一定的压力损失，而冷流体域中的压力几乎不变。
关键词：空气制冷循环；板翅式换热器；换热效率
中图分类号：TB657.5
文献标识码：A 文章编号：16749944（2014）06031503
1 引言
空气循环制冷系统长期以来主要应用于飞机空调系统。随着空气制冷理论的发展，以及透平膨胀机、高效紧凑式热交换器和空气轴承的发展，空气循环制冷系统的性能有了显著提高。在-80～-50℃温区空气循环制冷系统性能系数与复叠式压缩制冷循环相当。随着CFC及HCFC类工质的禁用，空气制冷系统再次成为研究的热点。板翅式换热器是空气循环制冷系统的关键部件之一，对其性能进行深入的研究对提高空气循环制冷系统的性能具有重要意义。
对锯齿形板翅式换热器的研究早期以Wieting[1]为代表。根据当时已有的文献为理论基础，Wieting通过实验提出了传热因子和摩擦因子的两种关联式。甘建德[2]对板翅式机油换热器的结构对传热性能的影响进行了研究，建立了机油换热器的数学模型，得到了机油换热器优化设计的结果。建立板翅式换热器的数学模型，并对其进行理论研究，深入地了解换热器内部的传热机理，可以更加深刻地知道板翅式换热器内部的流体的运动状况。对板翅式换热器采用数值模拟的方法可以对板翅式换热器在各种工况下的运行情况进行相当可靠的预测，还能为换热器的实验研究提供理论性的指导。锯齿形翅片是紧凑式换热器中最常见的翅片形式之一。在流体流动的过程中，流体热边界层在上一翅片段还没有得到充分的发展时就被下一错位的翅片所破坏，从而增强了换热。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]对锯齿形翅片进行了数值计算和实验研究。数值计算得出的Nu和摩擦因子与实验值有20%的误差。Amon和Mikic[4]对锯齿形翅片的流动和传热特性进行了数值模拟，得到在某一临界雷诺数时，流体流动出现波动，并且传热性能增大的幅度相对于压力损失来说更明显。Balachandar和Parker[5]采用数值模拟的方法对上游翅片的尾涡产生进行了分析，对单个翅片和锯齿形翅片组进行了比较并发现，锯齿形翅片组产生尾涡的临界雷诺数相对要小。
本文运用CFD软件，对空气循环制冷系统中板翅式换热器的换热性能进行了数值模拟，分析了不同工况条件对其换热效率的影响。
2 数值模拟计算
2.1 物理模型的建立
锯齿形板翅式换热器模型示意图如图1所示，它是由换热器冷通道和热通道叠加钎焊而成。
换热器在实际应用中外面会做保温，整个外壳是绝热的。但在模拟过程中，为了简化物理模型，忽略最外层绝热的影响，把换热器的换热看成是周期性的换热过程。综合考虑换热器的整体结构具有周期性，考虑到流动和换热的周期性问题，也为了提高计算速度和网格密度，利用SolidWorks建立的本文计算对象为图1中虚线包围的区域，即选取了换热器的一个冷通道（即环境空气侧）和两个半个热通道（即压缩空气侧）。截取出来的计算区域如图1所示。本章板翅式换热器芯体结构示意图如图1 所示，其中冷边和热边均为锯齿形翅片，芯体的流动方式为交错流式。环境空气（冷边空气）从板翅式换热器的中间通道流过，将热量通过换热过程（对流和导热）传给翅片及与其钎焊成一体的隔板。压缩空气（热边空气）从板翅式换热器上下两个半个通道流过，通过与翅片及与其钎焊成一体的隔板换热将热空气传来的热量带走。
从图4可以看到整个热流体域计算区域内的相对压力变化情况：热流体域主体换热区域以及集气部分的相对压力变化不大，在热流体域进出口处的相对压力有一定的变比，大概有25Pa左右的压降。这说明空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
2.4 换热器效率模拟值
当换热器热边进口流量为360kg/h，改变换热器冷边流量对换热器进行了模拟，得到换热器效率随着换热器冷边空气流量的变化曲线如图5所示。
从图5可以看出，随着换热器冷边空气流量的增大，换热器效率是增大的。当冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/时，换热器的效率也从51%增加到78%。
3 结论
应用CFD软件，对锯齿形板翅式换热器在变工况下的换热器内部流动与换热特性进行了数值模拟，分析了不同的工况条件对换热器性能的影响，结论如下。
（1）随着换热器冷边空气流量的增大，换热效果增强，沿流动方向温度值在不断降低，且在接近翅片附近热空气的温度值越低。换热器热流体域的温度变化越大，换热器热边出口温度越低，换热效率增大。
（2）空气在热流体域中有一定的压力损失。与之相较，冷流体域中的压力几乎不变。
（3）当换热器热边进口流量为360kg/h时，随着冷边空气流量从985kg/h增加到2780kg/，换热器的效率也从51%增加到78%。
参考文献：
[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.
[2] 甘建德.板翅式机油冷却器结构对传热性能的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.
[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.
[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.
[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint
