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氣流非均勻分布時百葉窗翅片式換熱器性能仿真點擊：2436 日期：[ 2014-04-26 21:35:16 ] |
| 氣流非均勻分布時百葉窗翅片式換熱器性能仿真 海瑛1，陳敬虞1，李文貴2 (1．嘉興學院機電工程分院，浙江嘉興314001;2．浙江嘉興雙能冷卻器有限公司，浙江嘉興314001) 摘要:針對百葉窗翅片式換熱器傳熱和流動性存在的問題，在風洞試驗臺上，對兩種不同結構(單、三排管)換熱器進行了試驗，測量了非均勻來流條件下流動和傳熱的相關值，采用分布參數模型，由威爾遜網格法確定出了翅片的傳熱關聯式;同時結合數值仿真的方法，研究了氣流非均勻分布對換熱器換熱性能的影響，結果表明:非勻流時總的換熱系數會下降8．2%。將模擬結果與試驗值進行了比較，兩者基本吻合，說明仿真程序代碼可用作高效換熱器的設計工具。 關鍵詞:換熱器;氣流非均勻分布;試驗;數值模擬 中圖分類號:TK121;TH122文獻標志碼:A文章編號:1001－4551(2011)09－1068－05 0·引言 百葉窗翅片管換熱器以其高效性和緊湊性已經在制冷空調、汽車及航空航天、動力機械(如:發電機的空氣冷卻器)等方面獲得廣泛的應用。研究者一直致力于其性能的改進。換熱器工作時，冷卻水在管內流動，空氣從管外翅片間的通道內流過，并通過翅片和管壁與管內的介質進行熱交換。由于換熱器結構和風機在不同截面產生的壓力點不一致等原因，使得進口通道處均勻的氣流進入換熱器后變得不均勻，非均勻氣流會降低換熱器的傳熱效率，增加空氣側的熱阻，其阻值占到了整個傳熱過程熱阻的80%～90%［1］。Domanski建立了平直翅片的換熱模型，發現風速的非均勻分布會引起制冷劑側流量的非均勻分布，從而引起蒸發器性能顯著降低［2］;且非均勻氣流的強度越大，換熱效能的損耗也越大。Chwalowski等運用不同的方法預測了空冷器的性能，并和試驗數據進行了比較;研究指出，為了使預測數據更為準確，仿真中引入的風速曲線分布情況必須與實際的氣流分布相吻合。由Domanski編寫的程序已被Chwalowski等用來分析單排管情況下，同一蒸發器在5種風速分布下的性能，結果表明風速非均勻分布引起的換熱量衰減達30%［3］。本研究將采用單元網格法，利用仿真技術研究單排和三排管在氣流非均勻分布情況下，換熱器的換熱性能，以得到其預測模型，并通過試驗對模型進行了驗證。 1·算法設計 1．1換熱器描述 本研究中的換熱器采用一種改進且標準的傾斜百葉窗翅片。本研究分析的百葉窗的主要結構參數及含義如圖1、表1所示。換熱器由21根U形管組成，每管長1．15 m，21根管列為3排，每排為7根管子。每管長1．15 m，分3排以交錯矩陣排列，如圖2所示。 1．2計算模型 在換熱器換熱特性仿真研究過程中，本研究使用C++語言，以換熱器的每根換熱管為研究對象，沿管長方向將其劃分成1 000個微元，計算時對于每根換熱管，從水進口到出口，順次進行微元的計算，沿管內水流經的順序對每根換熱管依次進行計算，從而完成了整個換熱器的計算。另外計算是對分離的管排數進行的，且第1排的出口狀態是第2排的進口狀態。對于叉排情況，則由兩個垂直微元的平均值算出。這樣，仿真就可以在已知結構參數和進口等工況參數情況下，計算并輸出空氣出口狀態、水出口狀態及其他熱工性能，如圖3所示。 在建立計算模型時，引入如下假設:①穩定工況;②氣側，進入換熱器第1排(翅片)的空氣流速的分布和其他排相同;③水側，忽略翅片管U型彎管處的換熱。 對于單排管傳熱的計算使用效能－傳熱微元數(ε-NTU)的方法。由于溫度的變化，物性也隨之改變，初始值需做反復修正。管內傳熱系數的計算采用Gnielinski關聯式。初步的測量結果表明，現有百葉窗翅標準的關聯式無法準確預測傳熱情況。因此，下面的分析中將使用威爾遜網格法，確定一個新的關聯式，并用于仿真計算。為了確定水路壓降，垂直段的摩擦系數采用Gnielinski關聯式［4］。在U型彎處壓降，采用Ita關聯式。在確定每個網格的來流速度時，本研究將整個計算視為逆流過程，并在換熱器中使用風速儀，采取試驗方法在節點距離為5 cm×5 cm的網格上進行測量，每個網格四邊中點位置為測點。微元角點的空氣流速可用線性插值法算出。假設管壁處流速為零;近壁區，形成層流邊界層，可使用層流邊界層模型確定速度分布圖和邊界層厚度。臨近管壁邊界層的層流網格角點上，其空氣速度是通過外邊界層的平均值進行估算的。對于輸入的空氣流速是由微元格4個角的流速平均值確定的。該算法因考慮了層流等要素，所以有較高的計算精度。同時邊界層模型的增加，確保了仿真速度分布圖與實測速度分布圖相吻合。 2·試驗測量 2．1試驗裝置 為了驗證仿真模型的正確性，本研究在一個開放式風洞試驗臺上進行了試驗，風量調節是由變頻風機實現的，風量的測量是由標準的噴嘴組合完成。試驗裝置如圖4所示。 空氣的進口溫度采用4個K型熱電偶進行測定，如圖4中T所示。出口溫度的測量是20個K型熱電偶安裝在可移動橫桿上，通過測量每個管子的溫度(垂直上下移動橫桿)，以得到整體的平均溫度。這種測量方法的構想，是為了獲得非勻流的影響。當空氣質量流量保持不變時，勻流和非勻流的分布從管的出口溫度就可看出;其中在均勻來流時，各管出口溫度差別較小，而在非均勻來流時，各管出口溫度差別較大。 熱電偶標定后的精度為±0.1 K。測量在穩態條件下進行，測量中，進水溫度的變化為±1℃。水路溫度由同一個PID控制器進行設定和控制。水流量采用流量計測量，流量計的精度為0.25%?？諝獾牧髁坎捎脴藴蕠娮鞙y量，試驗試件前后壓差的測量采用精度為0.4%差壓變送器測量。為了確定來流的分布，局部流速采用熱球式的氣體流速儀測量。平均流速采用標準的機械測量裝置測量，周期設為1 min。 2．2試驗結果與分析 2．2．1換熱效率 試驗數據的采集是在工況穩定后進行的，在水側(通道內)，可測出進口和出口溫度及質量流速?？諝鈧?，可用平均進口溫度、質量流速、平均出口溫度等參數確定傳熱性能。大多數傳熱率低于3%，測量的傳熱率平均不確定性為2．5%，測量差值大于3%則被舍去。換熱器的換熱效率采用下式: 2．2．2傳熱系數 對于叉流與非混合流動的熱換器(單排管或三排管)，本研究使用ε-NTU法，就可計算出NTU的值。由此導出總傳熱系數U，如下: 為了使用這些近似值確定翅片的效率，翅片的半徑必須是已知的。當管子叉排時，連續翅周邊可看成六邊形微元。對于單排測量時，主排管通道接收熱水。由于翅片為固定的長方形(3．6 cm寬，2．1 cm高)，翅片高度與翅片寬度之比小于1，可用Zeller和Grewe的方法［6］確定其等效范圍。對于三排管測量，可用施密特的方法(2．1 cm高1．2 cm寬翅片)進行計算。對于百葉窗翅片，Perrotin和Clodic［7］認為施密特分析的近似圓形翅片的翅片效率高估出近5%。這是因為波紋可以通過翅片改變傳導路徑。不過，現有文獻中還沒有更有效的翅片效率逼近法，因此，Zeller、Grewe和施密特的關聯式還被廣泛使用。 不同管之間，在低雷諾數時，由供水線路引起的水的溫差更大(高達7．5℃)。在目前的文獻中，對于翅化效率的計算大都沒有考慮這些差異，因此沒能很好地解決此類問題。本研究用式(3)翅片效率計算空氣側的對流換熱系數，采用無量綱傳熱因子j和Re(雷諾數)表示: 如上所述，本研究實現了兩種不同的測量，其結果將單獨說明。首先，在非勻流條件下，對空氣側進口的質量流速進行了大量測量，以確定空氣側的傳熱表達式。其次，構建了三排管的非均勻流情況，并進行了傳熱性能的測量，對測出的迎面空氣流速和仿真結果進行了比較，從而驗證了仿真程序的正確性。 2．2．3單排管和三排管的測試結果與數值仿真結果比較 在測量中，氣側的雷諾數值Re在330～1 350之間(實際工況的雷諾數范圍為450～900)，對于單排管共設置了50個數據采集點。其結果表明:水側、氣側預測的平均值與測量值的最大相對誤差是1．6%。同時熱導率的實測值與仿真值的誤差，水側是3．6%，氣側是5．3%，氣側大的測量誤差主要由測量技術引起，其中橫桿移動的錯誤定位是主要原因。另外當Re＜1 000時，第1排管的換熱性能大于其他管子;當Re＞1 000時，由于漩渦的脫落，第1排管的換熱性能略低于其他管子，管排數對傳熱因子j等影響較小。所以將關聯式分為雷諾數Re低于1 000和高于1 000兩種情況，Re大于1 000，則由關聯式預測的單排管和三排管情況基本相同。三排管在非勻流情況下，共設置了21個數據采集點，其預測關聯式同單排管。其結果表明熱導率的實測值與仿真值的相對誤差為:水側3.6%、氣側6.4%。 2．2．4氣流非均勻分布時換熱器實驗結果與仿真結果對比實例 為了驗證仿真程序的有效性，本研究對三排管氣流非均勻分布情況進行測試。在測量中，為了得到非均勻來流，本研究將多孔板(孔徑為1 mm)放在風扇和沉降室中間，因為通道是矩形的，引入5個分流器放在沉降室(圖4的第5部分)前面，以防止流體分離;然后，通過關閉一個或多個這樣分離的通道，就可以得到非均勻來流。其中，風速是沿X軸截面方向從左到右分布的，在與均勻來流分布相同質量流的情況下，通過關閉壓降室6個進氣道的其中兩個(圖4的第5部分頂部兩個通道)，通道內就會有氣流的線形分布情況出現;本研究以同樣的方式，關閉頂部和底部各一個通道，就可得到拋物形氣流分布情況;測量結果如圖5所示，圖中線性來流分布的雷諾數Re為825。 換熱器換熱性能實測與仿真值的比較結果如圖6所示。曲線顯示了不同氣流分布時溫度的變化情況(曲線從頂部開始)。圖6中，筆者選定管內熱水流向自右至左，而空氣非均勻性是從左到右的，因此最高質量流量和傳熱會出現在左邊。本仿真使用的網格法如Chwalowski的方法一樣可對氣流速度進行準確的預測。邊界層模型對近壁溫度的影響，也可以在圖6中看出。兩種情況下，氣側氣溫的平均值幾乎是相同的。所以，如果只利用平均值，非勻流情況就可能漏測。這再次強調實際的溫度測量必須要檢測進口流量非均勻性。其中，非均勻的氣流分布會影響傳熱系數U，相對于均勻的氣流分布情況，非均勻氣流時線形的氣流分布換熱系數會下降8．2%，拋物線的氣流分布換熱系數會下降3．6%。這說明在氣流偏差(偏離平均風速)相同的條件下，氣流線性分布較拋物線分布換熱量降低更多。另外，由于熱電偶準確定位的困難，造成圖中兩相鄰點的溫度差值較大，所以測量技術還需改進。 最后，將實測溫度分布與仿真結果比較后，筆者發現誤差較小。水側和空氣側在氣流不均勻情況下，用仿真預測的熱導率比實測值稍高一些，原因是測量的空氣流速變化無常。所以此部分的研究有待進一步的完善。 3·結束語 本研究介紹了試驗裝置，并測量驗證了氣流非均勻分布對換熱效率的影響情況。結果表明，非勻流時總的換熱系數U會下降8．2%，并強調在風洞中測量翅片管換熱器的相關性能參數時，需要有均勻的來流做保證。其次確定了百葉窗翅片管的熱傳導關聯式。為了優化換熱器的設計，基于分布參數模型，開發了非勻流情況下的仿真程序，并利用相應的試驗數據進行了驗證?？紤]到管壁細紋溝的存在，仿真程序采用了邊界層模型。仿真結果表明，仿真與試驗數據的最大相對誤差為5．15%，說明仿真與試驗值基本一致。 參考文獻:略 |
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