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对于燃气热水器，换热器管子外侧流动的是高温烟气，内侧流动的是冷水。试验表明，烟气侧的热阻明显高于水侧的热阻，因此通常在管子表面设置翅片增加换热面积，以提高换热效率。目前，常用的翅片管束主要分为3类：单管外翅片管束，单根圆管外侧加装翅片所构成的翅片管束；连续翅片管束，在整块薄金属板（翅片）上，按管子排列形式（顺排、叉排）冲孔，然后用专用设备将冲孔后的金属薄板逐片套在圆管上，再采用胀管或钎接方法连接；管带式翅片管束，由波带形翅片与扁管相间叠合而成，即在一条波形带状翅片的脊背上，沿垂直于气流方向，贴置若干根扁管，翅片与扁管采用钎接方法连接。本文选取连续翅片管束，采用CFD软件，在管子内流体为定温度条件下，对非翅片表面烟气流道内烟气、翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。
1 模拟方法
1.1 控制方程与数学模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物质量守恒方程、组分质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，由于换热管外烟气中水分未发生凝结，烟气组成不会发生变化，因此不需考虑组分质量守恒方程。
1.2 物理模型
燃烧产生的高温烟气向上冲刷翅片管束，通过对流传热将热量传递给管子内的冷水。对非翅片表面烟气流道内烟气与翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。考虑到计算的时间与成本，数值模拟只针对单个连续翅片进行研究，计算区域宽×高×厚为126.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直径为14.5 mm，翅片厚度为0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有冲孔。采用Cero软件（三维设计制图软件）建立物理模型（见图1），并采用Gambit软件对物理模型进行网格划分，网格生成后，用网格检查器检查网格的质量，划分网格后的物理模型见图2，网格数量为719 625 个
1.3 边界条件
①入口边界条件
入口为速度边界，在FLUENT软件中定义速度边界的方法有3种：种是将速度视为速率的值与一个单位方向矢量的乘积，然后通过定义速率的值和方向矢量分量来定义速度边界；第二种是将速度视为3个坐标方向上的分量的矢量和，然后通过分别给定3个分量大小来定义速度边界；第三种是设定速度垂直于边界面，然后给定速率的值就可以定义速度边界。
由于烟气流动方向与物理模型底面垂直，因此采用第三种定义速度边界的方法。烟气的进口速度为4.215 m/s，温度为1 250 K，湍流强度为3%，烟气的组成见表1。
②出口边界条件
出口边界条件为压力边界条件，出口压力（表压）设置为0。物理模型出口湍流强度为3%。
③壁面热边界条件
物理模型外壁面选用对称壁面边界条件，无热流，无气流，管子内壁面选用流固耦合热边界条件。
④管内流体条件
管内流体温度设定为350 K。
2 数值模拟结果及分析
2.1 烟气温度分布
非翅片表面烟气流道内烟气温度分布见图3，翅片表面烟气温度分布见图4。由图3可知，非翅片表面烟气流道底部烟气温度为1 250 K，烟气流过管子时温度下降，出口烟气温度分布比较均匀，分布范围为500~750 K。由图4可知，翅片表面烟气温度分布基本对称，管子周围的烟气温度低（为505 K），翅片边缘的烟气温度高（为590 K）。由图3、4可知，在管子错排布置条件下，烟气与管子能够实现较好的换热。烟气流道出口处烟气温度的分布比较均匀，对后续的烟气处理也非常有利。文献［3］的研究表明，与顺排布置相比，管子错排布置可大幅改善烟气与管子传热条件下的流动工况，增强了换热效果。由此可知，模拟结果与文献［3］的研究结果基本一致。2.2 烟气速度分布非翅片表面烟气流道内烟气速度分布见图5。文献［4-5］研究表明，对于平翅片管束，当烟气绕过管子流动时，管子表面附近易形成很薄的边界层旋涡区，流动到管子后部表面分离，伴随旋涡从管子表面脱落，并在烟气出口区域形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。尾流区内烟气的循环流动使得管子周围烟气温度下降速率减缓，此外随着烟气沿平翅片表面的平直通道向前流动，边界层由于无附加扰动而逐渐增厚，使得局部换热系数沿程降低。为改善上述问题，可通过在管子上方的翅片冲孔［1］47，破坏尾流区形成的边界层，从而改善平翅片管束的换热环境，还可降低翅片用料。由图5可知，管子后部并未形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流区。
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由于霉菌生长周期长，故实验采用人工加速霉变的方法使翅片管换热器表面生长霉菌。根据标准GB/ T 2423.162-1999，选用且空调中普遍生长的黑曲菌标准菌株(A TCC 16888，第4-5代) 进行人工加速培养。研究选用4个附带亲水层的人字波纹翅片管换热器，其结构采用紫铜管外嵌整体式铝合金翅片，如图1 所示。图中，s、b、l1 、l2 和θ分别为翅片间距、翅片厚度、翅片投影长度、翅片高度和波纹角。其中3个换热器进行翅片表面霉变处理，处理后霉菌面积分别约占换热器空气侧表面积的10 %、30 %和60 %，经过霉变处理后的照片如图1所示。
1)、轧制成型翅片管（extruded fin tube）；
2)、焊接成型翅片管（高频焊翅片管、埋弧焊翅片管）；
3)、滚压成型翅片管；
4)、套装成型翅片管；
5)、铸造翅片管；
6)、张力缠绕翅片管；
7)、镶片管。
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。
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