王任遠,張 敏,王 宏
(河南機電高等??茖W校,河南新鄉(xiāng)453000)
目前對百葉窗翅片的研究較多,一些學者[1-3]通過實驗驗證了百葉窗翅片的傳熱系數(shù)大于光滑平直翅片的傳熱系數(shù),并得到一定范圍內可以應用的換熱因子和摩擦因子關聯(lián)式;一些學者[4-6]通過?;瘜嶒灠l(fā)現(xiàn),空氣在百葉窗翅片內的流動在雷諾數(shù)較小時以翅片方向為主,在雷諾數(shù)較大時以窗翅方向為主,且Lp作為Re的定性尺寸比De更容易獲得實驗關聯(lián)式;也有學者[7-10]通過數(shù)值模擬方法對百葉窗翅片進行研究,最初對百葉窗翅片的數(shù)值研究采用的是恒溫的二維結構模型,所得出的換熱系數(shù)明顯高于實際值,而后逐漸采用三維的流固耦合的簡化的百葉窗翅片模型,所得換熱系數(shù)比二維模型更接近實驗結果,然而未考慮百葉窗翅片的基片部分的影響。
本文考慮百葉窗翅片的基片部分,采用三維的流固耦合的簡化百葉窗翅片模型,采用Laminar方程計算管外百葉窗翅片的換熱因子與摩擦因子,并與文獻中的經驗公式計算得到的數(shù)據(jù)比較。
傳熱-泵耗功率比較法的思路是:首先,計算出換熱器各傳熱面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hstd和單位傳熱面積的泵耗功率Estd;然后,在通道當量直徑Dh相同的條件下,進行各傳熱面的性能比較。
單位換熱面積在單位時間內、單位傳熱溫差下的傳熱速率,即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h,流動工質為克服流動阻力所消耗的功率即泵耗功率,單位傳熱面積的泵耗功率定義為:
其中:qv=uAc
這種方法是以Estd為橫坐標,以hstd為縱坐標,換熱器的性能曲線在坐標中表示出來的。hstd~Estd比較法具有直觀、簡單的優(yōu)點,可直接從hstd~Estd比較圖看出,位置最高的曲線所代表的傳熱表面具有較高的傳熱強度;也就是說,在相同溫差下,要求傳遞相同的熱量,那么它所需的傳熱面積較小,這也就意味著換熱器的體積較小。
hstd~Estd比較法,要求參與性能比較的各傳熱面所構成的流道的當量直徑相等。
本文采用hstd~Estd比較法來評價不同結構參數(shù)的百葉窗翅片的性能,以獲得較小的緊湊式換熱器體積。而百葉窗的定性長度都為1.2mm符合hstd~Estd比較法的要求。
圖1為平行流微通道氣冷器結構示意圖??諝鈧鹊陌偃~窗翅片結構參數(shù)如圖2所示,其中Ld=36.6mm,F(xiàn)p=2.0mm,Lp=1.2mm,F(xiàn)n=8mm,Lh=6mm,Lα=28°,δ=0.2mm,并將百葉窗翅片簡化為相互平行。
圖1 平行流微通道氣冷器結構
由于折疊的百葉窗翅片幾何結構相似,所以選取一組百葉窗翅片作為計算模型,即在橫向上采用周期性邊界條件;縱向考慮其對稱性,故選取翅片高度一半的長方體流道為計算區(qū)域。計算區(qū)域的邊界條件設置及網格劃分如圖3所示,其中流體區(qū)域中為空氣,固體區(qū)域選材為鋁。
進口速度分別取2m/s~16m/s,進口溫度設置為313K,以百葉窗間距1.2mm為定性尺寸,則翅片間流道內空氣的最大Reynolds數(shù)不超過2500,因此,百葉窗翅片內的流動為層流;流體區(qū)域和固體區(qū)域的交界面設置為interface流固耦合;周期性邊界條件上無壓力梯度;因管內超臨界CO2與管外空氣為交叉流,且超臨界CO2換熱系數(shù)變化劇烈,采用第二類等熱流密度邊界條件。
計算區(qū)域通過分塊后采用結構化網格劃分,控制整個計算區(qū)域的網格質量不低于0.8,同時確保網格數(shù)量對計算結果無影響。用商用軟件Fluent采用Laminar模型對計算區(qū)域求解,其中采用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合求解,并采用二階迎風格式進行離散。
通過計算得到入口速度為2m/s~16m/s不同工況下的壁溫Tw、空氣平均溫度Tf、翅片間的最大風速及進出口的壓力。結果通過以下公式處理:
其中 ρ、Pr、cp、v為空氣的密度、普朗特數(shù)、定壓比熱、動力黏度,定性溫度取空氣的進出口平均溫度,Lp為窗翅間距、u為翅片間空氣最大流速,Ac、Ao為氣流最小的流通面積和總的換熱表面積。
CFD計算的換熱因子j和摩擦因子f與文獻[3]、[4]的經驗公式對比。結果表明,CFD計算結果與董啟軍擬和關聯(lián)式計算的結果吻合較好,CFD計算的換熱j因子平均偏差為2.2%,絕對偏差為6.95%,摩擦f因子平均偏差為2.6%,絕對平均偏差為4.6%。其中,j因子最大誤差較大,為39%出現(xiàn)在迎面風速為2m/s時,當迎面風速達到5m/s之后,j因子的偏差都在5%以內。從對比結果看,模擬結果和經驗值存在一定的偏差,但考慮到擬合試驗關聯(lián)式本身存在誤差。因此,從工程應用的角度看,本文的計算結果是可以接受的。
3.2.1 相同的窗高與翅高比值的百葉窗翅片的性能分析
圖4 給出了Lh/Fh=0.75、0.85 時,單位面積換熱系數(shù)隨單位面積耗功率的變化情況,由圖可看出翅片高度越小,單位面積換熱系數(shù)越大,比值不同但其變化規(guī)律一致。即單位面積耗功率相同時,翅片高度越小,單位面積換熱系數(shù)越大,且變化幅度較大。即翅片高度相對較小時,單位體積的換熱系數(shù)大,即換熱器體積越小,適合于緊湊式換熱器。
圖4 Lh/Fh=0.75、0.85 時,hstd~Estd
其原因可能是百葉窗高度增加導致在窗向區(qū)流動空氣的比例增加,阻力增加,即壓降增大;而高度的增加對換熱系數(shù)影響較小。
3.2.2 不同的翅片厚度的百葉窗翅片的性能比較
從圖5可看出相同的單位面積耗功率時,翅片的厚度越大,單位面積的換熱系數(shù)越大。即冷卻相同的熱量時,翅片厚度較大的換熱器所需的體積相對較小些。在翅片節(jié)距為1.5mm時,翅片厚度δ=0.2mm與厚度δ=0.15mm在單位耗功率相同時,單位面積的換熱系數(shù)相差不大。
圖 5 Fp=1.5,1.75,2.0mm 時,hstd~ Estd
分析其主要原因可能是:相同的百葉窗翅片的高度、開窗高度及百葉窗間距Lp,其空氣流量相同,進入窗翅區(qū)空氣的比例也相同,δ厚度越大,而在窗翅間的流道(Lp-δ)就越小,其阻力就越大,進而空氣的流速就越大,使得窗翅區(qū)翅片上邊界層變薄,換熱系數(shù)增大。
3.2.3 不同的翅片節(jié)距對百葉窗性能的影響
從圖6可看出相同單位面積耗功率時,翅片節(jié)距越小,其單位面積換熱系數(shù)越大;相同的迎面風速下,翅片節(jié)距大所消耗的單位面積功耗小,且單位面積換熱系數(shù)也小,即冷卻相同熱量時,翅片節(jié)距小的換熱器所需的體積小。
圖 6 δ=0.1,0.15,0.2mm 時,hstd~ Estd
分析其主要原因可能是:百葉窗翅片節(jié)距減小,其表面的空氣流速增大,空氣流動阻力增大,同時也導致了空氣在窗翅區(qū)內翅片表面熱邊界層減薄,表面對流換熱系數(shù)增大。
本文用傳熱-泵耗功率函數(shù)比較法對不同翅片高度、窗翅高度、翅片厚度及翅片節(jié)距的百葉窗翅片進行性能比較,并得到以下結論:
1)在相同的窗翅高度與翅片高度比值時,冷卻相同的熱量,翅片高度小的百葉窗換熱器所需的體積越小。
2)消耗相同的功率時,翅片厚度大的百葉窗翅片單位表面換熱系數(shù)大。
3)消耗相同的功率時,翅片節(jié)距小,其翅片單位面積的換熱系數(shù)大。
由以上換熱系數(shù)與壓降隨結構參數(shù)變化規(guī)律可得:當Lp=36.6mm,Lp=1.2mm,Lp/Fp<1mm 時,F(xiàn)p=1.5mm,F(xiàn)h=7mm,Lh=5.95mm,δ=0.2mm 百葉窗翅片綜合性能較好。
[1] Sunden B,Svantesson J.Thermal hydraulic performance of new multilouvered fins[C].Heat Transfer,Proceedings of the International Heat Transfer Conference,1990,91 -97.
[2] Kim M H,Bullard CW.Air-side thermal hydraulic performance of multi- louvered fin aluminum heat exchangers[J].International Journal of Refrigeration,2002,25(3):390-400.
[3] 董啟軍,陳江平,陳芝久.百葉窗翅片的傳熱與阻力性能試驗關聯(lián)式[J].制冷學報,2007,28(5):10-14.
[4] Davenport C J.Correlation for heat transfer and flow friction for heat transfer and flow friction characteristics of louver fin[J].AICHE Symposium Series,1983,225:19 -27.
[5] Cowell T A,HeikalM R,Achaichia.Flow and heat transfer in compact louvered fin surfaces[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1995,10(2):192 -199.
[6] Jeon C D,Lee J.Local heat transfer characteristics of louvered plate fin surfaces[J].ASHRAEWinter Meeting CD,Technical and Symposium Papers,2001,1075-1082.
[7] Atkinson K N,Drakulic R,Heikal MR.Two and three-dimensional numericalmodels of flow and heat transfer over louvered fin arrays in compact heat exchangers[J].International Journal Heat Mass Transfer 1998,41:4063-4080.
[8] Thomas Perrtin,Denis Clodic.Thermal- hydraulic CFD study in louvered fin - and flat- tube heat exchangers[J].International Journal of Refrigeration,2004,27:422-432.
[9] 周益民,董啟軍,陳江平.百葉窗翅片傳熱與流動的三維數(shù)值模擬[J].節(jié)能技術,2007,25(2):141-144.
[10] 漆波,李隆鍵,崔文智,等.百葉窗式翅片換熱器中的耦合傳熱[J].重慶大學學報(自然科學版),2005,28(10):39-41.
[11] 姚仲鵬,王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學出版社,2001.