摘要：采用数值模拟方法对微细通道换热器空气侧传热和流动特性进行了研究,得到了在不同迎面风速、百叶窗间距、肋片间距和百叶窗角度下换热器的传热和流动特性,并分析了换热器结构参数对其传热及流动性能的影响。在数值模拟基础上对换热器结构参数进行优化,并采用JF综合性能系数法对各种优化方案进行了综合评价分析。
0 引言
研究结果表明,随着尺度越来越小,换热器中的流动与换热将明显偏离传统传热学和流体力学所描述的规律,表现出明显的尺寸效应,从而使得微细通道换热器与常规换热器有着本质的区别,整体换热效率可望提高20%~30%。这种效率的提高不依赖材料消耗的增加,是一种经济、有效提高制冷空调产品能效的手段,因而在制冷空调行业有着广泛的应用前景。
微细通道换热器的空气侧换热热阻在整个热阻中占有主要比例,肋片结构形式和几何尺寸对空气侧的传热性能与流动阻力起着决定性的作用。因此,对微细通道换热器空气侧的流动传热特性以及换热器结构优化的研究对于优化微细通道换热器的设计及其在制冷空调系统中的应用均有着重要的作用。
1 数学模型及模拟分析方法
图1为微细通道换热器空气侧百叶窗肋片结构示意图。
肋片结构是影响空气侧流动及传热的重要因素。对于微细通道换热器,不能采用传统的Nu来计算空气侧表面传热系数及压降,而是采用j因子与f因子来表示。对于百叶窗肋片,Chang等人给出了j因子与f因子的计算公式[1-2]。
式(1),(2)中 Td为扁管宽度;Tp为管间距;Lp为百叶窗间距;Ll为百叶窗宽度;Fp为肋片间距;H为肋片宽度;δf为肋片厚度;以上参数单位均为mm;Lα为百叶窗角度,°;ReLp是基于百叶窗间距Lp的雷诺数,可由下式计算：
笔者采用自编VB程序进行了数值模拟。在不同的迎面风速下,对肋片间距、百叶窗间距、百叶窗角度等结构参数对于换热器流动传热特性的影响进行了理论计算和分析;并在此基础上对微细通道换热器与传统肋片管式换热器的流动传热性进行了比较。
2 数值模拟与结果分析
2.1 迎面风速对换热器性能的影响
图2表示了迎面风速与微细通道换热器空气侧传热系数及压降之间的关系。随着空气侧迎面风速的增大,换热器的空气侧传热系数及压降都逐步增加,但传热系数的变化越来越平缓,而压降变化呈增大趋势。所以应该存在一个最佳的迎面风速,使换热器的换热效果最好,压降又在可以接受的范围之内。在迎面风速增加的情况下,两个换热器(流动深度:Fd1<Fd2)传热系数的变化趋势基本一致,但在流动方向上长度较大的换热器的压降变化较快,这是由于它的空气流动深度较大,沿流动方向的沿程阻力损失较大而造成的。
图3所示为微细通道换热器与传统肋片管式换热器在不同迎面风速下的流动传热特性的比较,前提条件是两种换热器的换热面积和迎风面积相等。从图中可以看出,微细通道换热器的空气侧传热系数比肋片管式换热器平均高出24%,而压降降低26%。此外,在迎面风速增加的情况下,两种换热器的传热系数变化速度基本一致,但肋片管式换热器的压降变化较快。
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