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翅片管的传热过程
这儿讲的“传热”不是通俗的对传热现象的一般称呼，而是一个专有名词。传热的定义是：热量从热流体经过管壁传给冷流体的过程。如下一小节的附图所示。传热过程由三个分过程组成：过程1：
热量Q（W或KW）由热流体传给管壁（管内壁），这一过程属“对流换热”，其对流换热系数为hi (W/（㎡·oC)）。（此后,角标“i”代表“内部”，角标“o”代表“外部”，而角标 “w”代表管壁。），这一对流换热过程对应的温差为（Ti-Twi）,此处，Ti为管内流体温度，Twi为管内壁温度。
过程2：热量Q从管子内表面传给管外表面，因为热量是在固体内部传递，这一过程叫“导热” 或“热传导”。此过程对应的温差为（Twi- Two）。
程3：热量Q从管外表面传给管外冷流体的过程。这一过程属“对流换热”，对应的温差为(Two- To), 其对流换热系数为h o . 应当指出的是，此处，Two是基管的外表面温度，因此，ho是以基管外表面积为基准的换热系数。之前讲述了翅片管外表面为基准的换热系数h 的计算。两个换热系数ho和h的换算关系：ho= h×β×η
式中，β为翅化比，即加翅片后面积扩大的倍数；η为翅片效率，是小于1的数；
换热器按照其工作原理可分为间壁式、混合式和蓄热式三类。
间壁式换热器,热流体和冷流体间有一固体壁面,两种流体被固体壁面隔开,彼此不接触,热量的传递必须通过壁面。
混合式换热器依靠冷、热流体的直接接触而进行换热,换热后理论上应变成同温同压的混合介质流出。
蓄热式换热器则依靠固体填充物组成的蓄热体传递热量,冷热流体依次交替的流过由蓄热体组成的流道。当热流体流过时,把热量储存于蓄热体中,其温度逐渐升高,而当冷流体流过时,蓄热体因放出热量温度逐渐降低,如此反复进行。
下面我们主要谈的是间壁式换热器，通过实验数据对其进行热力对比计算。
提高换热器换热性能的途径
传热方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主题方向是提高传热系数K。对强制循环空气冷却器,采取有效措施降低空气侧的传热热阻或在制冷剂侧采用选择供液方式,控制供液量,或采用传热管可明显提高传热系数。另外提高流体的流速可以增大传热系数,但流动阻力也相应增大,因此通过增大流体的流速以增强传热系数K 有一定的限度。此外增强传热可通过增加传热面积实现,但增加传热面积不应靠加大整体设备的尺寸来实现,而应从设备的自身结构来考虑。
增加传热面积总体上分为两种途径:管外表面的扩大和管内表面积的扩大。
目前管外表面积的增加主要是在管外加翅片或扩展表面即肋化表面,它是通过附加肋片扩大传热面积来减少对流换热热阻,从而达到强化传热的目的。
可通过下列途径来增大设备单位体积的有效传热面积:
①传递面采用扩展面,如在对流传热系数较小一侧的热传递表面上附加翅片、筋片、销钉等;
②增大原有热传递表面,如将表面处理成憎水性覆盖层、多孔性覆盖层、双波纹状管等
③在换热器中管子的强化方面主要是异型管的开发,从而达到增加传热面积的目的。异型管的种类包括螺旋槽纹管、横纹槽管、缩放管、波节管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
强化换热器换热的方法及热力计算
通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优化设计,然后对其换热性能与改进前换热器进行对比计算,结果是改进后的换热器的传热系数得到了提高。
一、调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距。
1、设计原理
本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器(在0 ℃及其以下条件工作时,翅片盘管外表面温度等于或低于湿空气的露点温度时，由于在低温工况下工作的蒸发器表面存在结霜问题,且蒸发器前几排管子的结霜较严重,而后几排管子的结霜相对较轻,因而可采用变间距的翅片设置,亦即沿风向片距越来越小。霜开始形成时表面粗糙度增大,引起传热面积增大,同时气体流速也增大,从而导致在结霜初期传热系数K 增大,但随着霜层的不断增厚传热热阻增加,终导致传热系数K 减小,结霜对换热器性能的影响表现在降低其传热系数和增大其阻力两方面,合理的换热器结构应同时减小这两方面的影响。
当气流通过蒸发器时,由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积,空气由于除湿作用相对湿度降低,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的,如果采取变片距结构,可以在结霜条件下保持其较高的传热效率,并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时,实际上已构成了翅片的错列分布,当空气横掠错列翅片时,翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用,由于前面翅片的绕流,翅片的前半部分换热加强,后面的翅片的分布又使得流道变窄,流速提高,翅片后半部分的换热也得到强化。
2、变翅片间距的结构示意图及对比计算
由于该改进方案采用的是变翅片间距形式,在理论上可近似认为是错列翅片,因此在分析中可借用错列翅片的理论。图1 是所研究的流体纵掠错列翅片的一个二维模型,翅片间距为H ,厚度为t 。
由于该结构形式实际为错列翅片,当流体纵掠翅片时,气流在上游翅片先受到扰动,因此在前几排管上的翅片换热加强,当气流流经后几排管子时,由于流通截面迅速变窄,流速提高,使流体在原有的基础上又进一步受到挤压,扰动更加剧烈,因此通过后加上的一组翅片,使换热也得到了强化。
通过变翅片间距的结构改进,冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下,在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数,且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9. 8 % ,且传热面积有所提高,通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的(图2) 。
对于翅片管式换热器,其传热系数的计算采用下列公式。
式中: hi ,h0为管内制冷剂和管外空气侧换热系数(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 为管内、外面积( m2 ) ; β为管内外面积比; ri , r0为管内、外表面的污垢系数( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率(W/ (m·K) ) ;η为肋化效率; di , d0为管子内/ 外径(m) 。对于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系统,经过结构改进,其热力性能计算结果如表1 所示。
二、加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。
铜管外表面光滑,内表面有连续而细密的螺纹沟槽,称为内螺纹管。因其增大了管材内表面的散热面积,使铜管的散热系数增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整体设备尺寸的前提下,增加其内表面换热面积,加强管内流体的扰动,在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。
1、设计原理
当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时,管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面,对于缩小换热器体积,提高换热器效率有很重要的作用。目前,已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面,综观各种不同形状的强化管,其共同特点是在兼顾压降的同时,传热面积都有不同程度的增加,并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的主要因素,它产生于靠近管壁的层流底层,并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋,会破坏贴壁层流状态,抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄,而绕流作用使流体产生轴向旋涡,可致使边界层分离,流体主体径向温度梯度减小,有助于热量传递的进行。因此采用在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹,不但可以扩大管子的内表面积,增加传热面积,并且由于管子不再是光管,内部有螺纹所以内壁变得粗糙,可以破坏层流边界层,使管内的制冷剂的流态变成紊流,从而提高管内对流换热系数。同时,因为采用变螺距,沿着流体流动方向螺距从大变小,这样可增强流体的扰动,强化流体的换热系数。
2、变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算
对等间距内螺纹翅片管换热器管内螺纹进行改进,由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变,使之内表面积比等间距增大8. 4 %,传热系数增大3. 82 %,管内换热系数也增加了4. 89 %。等间距与变间距内螺纹管结构示意图如图3、图4 所示。
式中: f m为单位管长管子平均面积(m2 ) ; f i为单位管长管子内面积(m2) ; f 2为单位管长管子总外表面积(m2) ;αi为管内对流换热系数(W/ (m2· K) ) ;αw 为管外对流换热系数(W/ (m2· K) ) 。
对于汽车空调系统,当负荷Q0 = 4 kW ,其热力性能计算结果如表2 所示。
优化设计方法包括两部分：翅片结构设计和制冷剂流路设计。由于翅片尺寸决定了管间距，进而影响制冷剂流路分配，因此应首先设计翅片结构，其次设计制冷剂流路。图1 为优化设计流程图。1、翅片结构设计 在翅片结构设计中，将采用CFD 方法对翅片结构进行优化设计。优化设计主要分为如下5 个步骤：
步骤1：确定优翅片高宽比Pt/Pl
在本文中，翅片优高宽比是指在相同翅片面积下，翅片效率高的翅片高宽比。翅片效率可定义为：翅片管换热器实际的换热量(Qactual,fin)与大可能达到的换热量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 计算得到。CFD 几何模型采用两排管翅片换热器；边界条件为空调蒸发器工况。在实际翅片模型中，翅片与管壁耦合；在理想翅片模型中，设置翅片温度与管壁温度相同。空气上表面和下表面定义为周期性表面。根据CFD 计算结果，可以得到具有高翅片效率的翅片优高宽比Pt/Pl。
步骤2：优化Pt 和Pl
在制冷工况下，蒸发器表面会形成一层冷凝液膜。当析湿较为严重时，窗片和桥片都会被这层液膜堵塞，导致其几何结构类似于平片。因此，在设计中采用了平片的关联式来确定翅片尺寸。
设计中，设定的优化目标函数以及约束条件函数见式（2）~（4）。优化目标函数用来分析性价比，见式（2）。式（3）~（4）为约束条件，即：小管径换热器的换热性能（UA）应等于或大于规定值；空气侧压降应等于或者小于规定值。
步骤3：优化翅片开缝结构
在翅片开缝结构的设计中，由于没有适用于小管径翅片换热器的性能预测关联式，因此本研究采用CFD 方法来模拟换热器的换热量和空气压降，从而确定优开缝结构。
在窗片的几何结构参数中，开缝角度和开缝数是自变量，缝高与缝宽可根据两个自变量确定。因此，只需对窗片开缝角度θ 和开缝条数n 这两个自变量进行优化设计。在桥片的几何结构参数中，缝高为翅片间距的一半，缝宽由开缝数确定。因此，对桥片开缝翅片结构的设计，只需对开缝条数进行优化设计。基于CFD 计算结果，可确定具有较高换热量和较低空气压降的翅片开缝结构。
步骤4：换热器性能测试
小管径换热器性能的测试系统如图2 所示。实验中的测试工况根据房间空调器标准确定。根据实验结果，采用多重线性回归方法开发了小管径换热器性能的预测关联式，并将其应用于制冷剂流路设计的仿真程序中。
2、制冷剂流路设计
在制冷剂流路设计中，采用基于仿真的方法进行设计。图3 为基于仿真的制冷剂流路设计方法流程图。设计中首先根据换热器尺寸确定换热器的预选结构，并根据换热器性能及成本调整管路结构，然后计算调整后换热器的性能，以确定下一步结构的调整方向，终确定换热器管路结构。设计中采用基于知识的多目标优化方法，控制优化过程，得到优化结果。
本文采用基于图论的三维分布式模型，预测具有不同流路换热器的性能。Liu 建立的模型与实验值的大偏差为±10%。在Liu 的模型中，沿长，宽，高三个方向将换热器分割成若干个控制体。控制体包含了制冷剂，空气和翅片换热器三个部分。制冷剂与空气的控制能量方程与动量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷剂侧换热面积；Ao 是空气侧换热面积；Ga,max 是小流通面积处的空气流率； fa 是空气摩擦系数；σ 是流通积的收缩比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom 分别是从前排，后排，上列和下列翅片的传热量。
本文对换热系数和压降预测关联式的选取如表1所示。
优化采用基于知识的优化方法（KBEM）用于优化换热器。它包括两个部分：改进遗传算法（IGA）和基于知识的优化模块（KOM）。KBEM 中的IGA 是传统遗传算法的改进版，IGA 可以得到初解并控制整个优化过程。采用基于知识的搜寻方法可以减少研究范围，进而并可以提高优化效率。
三：设计案例
本章节将会采用前一章提出的设计方法来设计采用5 mm 管翅片管换热器的空调器。空调器的实验结果将与设计结果进行对比验证。
在此案例中，室内机换热器采用了5 mm 管翅片换热器。室外机换热器采用具有更大翅片间距的7 mm 管翅片换热器，以防止热泵工况时结霜导致的换热性能恶化。
1、翅片结构设计结果
步骤1：确定优翅片高宽比Pt/Pl
设计Pt/Pl 时，CFD 计算的边界条件设置如下：进口空气温度为300K，管壁温度为280K。其他边界条件同前一章。由图4 所示的CFD 结果，可知优Pt/Pl 比值为1.23，此时翅片效率高。
步骤2：优化Pt和Pl
在翅片尺寸设计中，5 mm管翅片的UA应大于7 mm管翅片，5 mm管翅片换热器的ΔP应小于7 mm管翅片换热器。根据上述设计原则，翅片的性价比、传热效率和空气压降随Pt的变化趋势见图5（a）~（c）。由结果可得：当Pt为18 mm时，w值较大，且满足UA和ΔP的约束条件。根据优Pt/Pl值，可得到优翅片尺寸为18×14.7 mm。
步骤3：优化翅片开缝结构
根据所确定的优翅片尺寸，利用CFD方法计算开3条缝的窗片和开4条缝的窗片的性能。图6为具有不同开缝数的翅片表面空气温度分布图。换热量及空气压降的计算结果见表2。由计算结果可知：由于开缝数的增加导致缝高的降低，4条缝窗片具有更高的换热量，和更低的空气压降。
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