翅片管换热器计算机模拟的建模方法综述

宋铭

摘 要：近年来，对于换热器的传热问题，结合计算机技术和数值方法，发展了许多数值传热学的方法，主要包括有限差分法、有限单元法、有限分析法、边界元和有限体积等。对近年来不同的计算机建模方法进行了简单的综述性整理，以翅片管换热器计算机模拟建模的方法为例进行了讨论。

关键词：翅片管换热器；计算机模拟；冷凝器；蒸发器

中图分类号：U464.138.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.065

在制冷/热泵装置中，换热器主要分为蒸发器和冷凝器，作为制冷剂与被冷却介质热量交换的媒介，其形式特征多样，性能特点也不尽相同。本文将对近年来不同的计算机建模方法进行简单综述性整理，以翅片管换热器计算机模拟建模的方法为例进行讨论。

1 翅片管换热器的数值模拟

翅片管换热器作为目前空调最常用的换热器，能广泛应用于制冷剂和空气、水之间的强化换热，换热管道一般为多管呈蛇形布置，翅片分为单、双或多排结构，翅片管换热器结构简单、便于加工，使其在制冷空调、化工等领域广泛应用。研究表明，翅片管换热器管内热阻∶铜管翅片的接触热阻∶管外空气侧热阻=2∶1∶7，可见管外翅片的换热性能是制约换热器总体性能的主要因素。

1999年，Xi等人对比分析用二维和三维模拟2种方法研究了翅片管的换热特性，结果表明，前者的模拟结果大于后者，并提出了建议用二维模拟替代三维模拟进行定性研究。

2005年，西安交通大学的何雅玲等人采用数值模拟的方法对平翅片管中的流体流动与换热进行三维仿真，对5种不同的影响因素——Re数、翅片间距、管排数、横向和纵向的管间距进行了考察，并引入场协同理论分析了数值模拟的结果。

2016年，Zhang等人采用分布参数法对用于三股流换热的翅片管换热器的性能进行了数值模拟计算，并与实验数据进行了对比，提出新型的空气调节系统。模拟计算流程如图1所示。

2016年，韩国学者Jung等人提出了空调系统中翅片管换热器制冷剂与空气侧换热模拟计算的改进热力模型，其中，在两相流部分，作者分别对气相和液相部分建立独立的质量、动量和能量方程，并将数值模拟结果与实验数据进行对比，其中温度和压力的最大误差分别不超过5 ℃和4%.其中，气液相的质量、动量和能量方程如下：

2016年，Liu等人对采用大翅片间距的多孔型翅片在空气侧的换热特性进行了数值模拟分析，针对不同开孔尺寸、开孔数目、翅片间距下空气侧换热的j因子和换热比例进行了详细分析和讨论，并提出了增大换热面积以提高多孔型翅片换热能力的可行性方法。其中，该作者使用的宽翅片间距的翅片管换热器及温度场模拟情况如图2所示。

2 结束语

计算流体力学和传热学的快速发展使人们对换热器中的流体换热和流动特性有了更加直观的认识，国内外学者针对如何提高计算机仿真模拟的准确性进行了大量的实验验证，对推动数值模拟的发展起了至关重要的作用。然而，目前对于数值模拟仍然存在一些问题值得深入研究。

对于制冷剂而言，单相液体和单相氣体的换热特性相对简单，对其理论计算的准确性也能保证。但对于换热器中的制冷剂气液两相流动而言，传热过程伴随着传质过程的进行，换热系数随着流动干度的变化而变化，而针对管内侧两相流动与传热的预测还存在较大的误差，特别是采用多元混合制冷剂的制冷循环中，气液相制冷剂组分的变化以及制冷剂物性计算的准确度均对传热和流动特性的计算起决定性作用。针对这一块的研究，应更加注重机理性的实验验证。

对于制冷系统而言，单纯地以提高换热器的换热性能并不一定能提高制冷系统的整体效率，应综合考虑压缩机、内外电机的耗功、管道的流动阻力等因素，合理制订制冷剂流量、压缩机排量、风机风量等，从而使系统在最低耗功的前提下获得最强的制冷能力。因此，在提高换热器数值模拟精确度的同时，应降低模拟的复杂程度，提高运算效率，并将换热器的数值模拟运用于系统的整体运行动态模拟中，以获取系统整体多变量之间的非线性最优化耦合，为制冷/热泵系统的设计计算提供有力的理论指导。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕