集約型AHU內橢圓管翅片換熱器空氣側特性的數值模擬

丁偉翔, 王志毅

(浙江理工大學，a.機械與自動控制學院；b.建筑工程學院，杭州 310018)

集約型AHU內橢圓管翅片換熱器空氣側特性的數值模擬

丁偉翔a, 王志毅b

(浙江理工大學，a.機械與自動控制學院；b.建筑工程學院，杭州 310018)

針對位于集約型AHU內部的橢圓管翅片換熱器，在合理簡化模型的基礎上，運用CFD方法對其進行數值模擬，并與同當量直徑的圓管翅片換熱器進行比較。研究分析了兩種結構換熱器綜合性能的差異、空氣側速度與溫度場的分布特征。結果表明：橢圓管換熱器出口平均溫度高，尾部的渦流與高溫區(qū)域小，綜合換熱性能優(yōu)于圓管，運用在AHU中能夠減少阻力損失并增強換熱，進而提高空調系統(tǒng)的整體效率。探討了翅片間距、翅片厚度及管間距3種結構參數對橢圓管翅片換熱器性能的影響，為橢圓管在AHU內的運用及優(yōu)化設計提供參考。

集約型AHU；橢圓管翅片換熱器；綜合換熱性能；結構參數；數值模擬

0 引 言

空氣處理機組(air handling unit, AHU)是空調系統(tǒng)中的重要部件，它將各種空氣處理設備集中于一個箱體內，完成對空氣的熱濕、凈化等處理后由風機送入室內。管翅式換熱器是機組內最常用的換熱器結構形式[1]，作為能量傳遞過程中的關鍵設備，其運行狀況直接關系到整個機組性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)AHU內部通常采用圓銅管套翅片的換熱器，其傳熱性能逐漸遇到瓶頸：換熱管阻力大導致風機能耗高，換熱效率低；為了防止機組風阻過大及漂水問題，風速受限使得設備體積龐大。隨著制冷空調行業(yè)的發(fā)展，人們需求高效節(jié)能、占地面積及體積小的AHU。集約型AHU作為一種改進型空氣處理機組，采用由圓管軋制而成的橢圓形狀管作為箱體內部換熱管，空氣在翅片間沿橢圓管長軸方向流動。相比圓管換熱器，橢圓管換熱器內部凈流面積大，氣體繞流少且繞流阻力低；在橫截面相同的情況下，增加傳熱周長有利于換熱；在數目相等的情況下，管簇易實現緊湊排列，增大了單位體積的有效傳熱面積。

許多學者對橢圓管換熱器開展了研究。王叢飛等[2]對火力發(fā)電站直接空冷系統(tǒng)所采用的橢圓翅片管傳熱與流動性能進行了數值模擬，討論了不同迎面風速下三排管空冷翅片間的壓力、速度和溫度分布特性；李啟良等[3]對比了風洞實驗室中的矩形翅片橢圓管與圓管熱交換器，指出采用橢圓管的換熱器更有利于滿足風洞低阻力損失的要求；寇興琢[4]研發(fā)了一種橢圓形基管H形翅片管煙氣冷卻器，通過試驗發(fā)現，其在回收煙氣余熱時較傳統(tǒng)的圓形翅片管更能有效地減少煙氣流動阻力，改善堵灰現象。目前對位于AHU內部的橢圓管換熱器運行工況研究較少，當換熱器固定于機組內部，部分結構參數受到封閉空間的限定；漂水現象與風機水泵性能的影響將流體參數限制在一定的范圍內。本文運用fluent軟件模擬集約型AHU內的橢圓換熱器運行在供熱工況時管外空氣側的流場，對比傳統(tǒng)圓管換熱器，探究兩種結構換熱器在AHU中綜合性能的差異，空氣側速度與溫度場的分布特征；同時就3種結構參數(翅片間距、翅片厚度、管間距)的變化對橢圓管性能的影響做出分析。本文的研究可為橢圓管換熱器在AHU內的性能優(yōu)化提供參考，以利于暖通空調換熱部件節(jié)能。

1 數值模擬

1.1 物理模型

圖1為某集約型AHU產品內部整體式翅片橢圓管換熱器剖面示意圖。換熱器首先通過管內水流將熱量傳遞到換熱管內表面，然后通過熱傳導使熱量通過管壁傳遞到管外表面，最后通過熱對流將熱量傳遞給外界的冷空氣?？紤]到換熱管束具有結構對稱性，選取其中一對翅片單元間的流場作為物理模型進行研究，這樣能夠有效地簡化模擬過程[5]。計算區(qū)域如圖2所示，為保證出口邊界達到充分發(fā)展且沒有回流，在空氣進出口方向上較實際區(qū)域分別作相應的延長：入口延長1倍當量直徑，出口延長3倍當量直徑。

圖1 集約型AHU內橢圓管翅片換熱器剖面示意圖

圖2 橢圓管翅片換熱器計算區(qū)域示意圖

換熱管材料為無縫銅管，采用鋁制平直翅片。詳細結構尺寸均按實際產品設置，如表1所示。

表1 橢圓管翅片換熱器結構尺寸參數表

由當量直徑de可由式(1)[6]計算：

(1)

其中：a為橢圓管長半軸，mm；b為橢圓管短半軸，mm。橢圓管對應的圓管尺寸φ=9.52mm。進而可得出，在相同管間距的情況下，采用橢圓管的換熱器凈流面積較圓管換熱器增加了10.86%，傳熱周長增加了14.46%。

換熱管外為需處理后送入室內的空氣，冬季工況下通常是室外新風混合部分室內回風，在機組內部由于風機的作用與處理設備之間進行強制對流；管內流經中溫熱泵機組提供的熱水。機組內部流體物性參數見表2。本文以換熱管進出口平均水溫35 ℃作為管外壁恒定溫度t[7]。

表2 換熱管管外空氣及管內水物性參數表

1.2 數學模型及驗證

建立橢圓管換熱器空氣側三維流動數學模型。為簡化集約型AHU內的換熱過程，本文作了如下假設：

a)空氣的物理性質在流動過程中沒有變化，為不可壓縮黏性流體；

b)空氣為定常流動且受熱過程為穩(wěn)態(tài)換熱；

c)忽略橢圓基管與翅片間的接觸熱阻及其間的輻射換熱；

d)換熱管為均勻壁溫，忽略管壁導熱溫差。

模型采用六面體非結構網格。網格劃分過程中針對管壁面及翅片表面進行加密處理[8]，總體網格數為729568。數值計算過程采用壓力與速度耦合的SIMPLE算法。湍流模型采用標準k-ε雙方程模型，其控制方程為連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。

空氣入口設定為速度邊界條件，空氣出口設定為自由出口邊界條件；管壁設定為恒溫邊界條件，矩形翅片壁設定為導熱與對流的耦合邊界條件；其余的幾何表面設為對稱性和周期性邊界條件。不考慮重力加速度的影響。此外，湍動強度I、雷諾數Re由式(2)-(3)計算得出：

I=0.16Re-0.125

(2)

(3)

其中：u為最小截面處空氣流速，m/s；d為水力直徑，取橢圓管當量直徑，mm；ν為運動粘度，m2/s。

采用二階迎風格式對控制方程進行離散，其中連續(xù)性方程與動量方程的殘差小于10-4，能量方程的殘差小于10-6。

數值模擬的主要目的是得出換熱管空氣側阻力、傳熱系數及流場分布。本文的模擬結果與文獻[9]中提到的整體套片式翅片管叉排流動阻力計算公式(4)得出的理論值進行對比，結果如圖3所示。從圖3中可以看出，數值整體變化趨勢相同，流動阻力隨著入口風速的增加不斷增大，模擬值與理論值對比結果的最大誤差為16.8%，平均誤差為9.4%。誤差值在合理范圍內，對比結果驗證了模擬的可靠性。

(4)

其中：ΔP為流動阻力(進出口壓差)，Pa；L為沿氣流方向翅片的長度，mm；umax為凈通道截面的空氣流速，m/s。

圖3 數值模擬與理論計算的流動阻力隨入口風速的變化曲線

2 結果分析

數據處理過程中所需用到的參數定義及公式如下：

a) 參考溫度tref，℃。

(5)

其中：t″1為空氣出口平均溫度，℃。

b) 區(qū)域平均換熱系數h，W/(m2·K)。

(6)

其中：q為翅片管外表面熱流密度，W/m2。

c) 努謝爾特數Nu。

(7)

d)摩擦因子f。

(8)

2.1 出口平均溫度與綜合換熱性能系數

室內回風與室外新風混合后經AHU內換熱器處理，再由風機送入房間內以滿足人體舒適性的要求。AHU內換熱器與其他領域換熱器的差異在于：所處理的空氣受環(huán)境條件的影響很大，空氣參數隨著時間與外界環(huán)境的變化而改變地較為頻繁?？諝獬隹谄骄鶞囟仁侵苯臃从硴Q熱器性能的參數之一，室內用戶希望獲得較高的空氣溫度以在冬季獲得較好的舒適感。圖4為橢圓管與圓管換熱器處理后的空氣出口平均溫度隨入口空氣溫度變化曲線，可以看出：隨著入口溫度的增加，出口平均溫度不斷提高；當入口溫度相同時，經由橢圓管換熱器處理后的空氣平均溫度明顯高于圓管換熱器，這意味著采用橢圓管換熱器的AHU處理后的空氣更能滿足用戶對于冬季送風溫度的需求。

圖4 橢圓管與圓管換熱器出口平均溫度隨入口溫度的變化曲線

圖5 橢圓管與圓管換熱器綜合換熱性能系數隨入口風速的變化曲線

兩種結構換熱器的綜合換熱性能系數均隨著風速的增加而增大，這是由于風速的增加使流體與管束間的擾動得以增強，進而強化了換熱。對比兩者可以看出：當流速較低時，橢圓管翅片換熱器的綜合換熱性能系數與圓管相差不大；隨著空氣流速的增加，橢圓管的綜合性能明顯高于圓管，且差值呈現逐步增大的趨勢。這意味著當AHU內風機能耗相同時，橢圓管換熱器具有更好的換熱性能；當送入室內空氣所需相同傳熱量時，集約型空調箱內阻力小，風機能耗低。由此可見，采用橢圓管換熱器的集約型AHU在能源消耗上要優(yōu)于采用圓管換熱器的傳統(tǒng)AHU，能夠有效提升整個空調系統(tǒng)的效率。另一方面，兩種換熱器的綜合換熱性能增加率均降低，這意味著提高風速雖利于增強換熱，但同時也增大了流動阻力，會導致風機能耗的增加。由此可見不能為了增強換熱而一味提高風速，必須考慮空調系統(tǒng)的整體效率。

2.2 內部流動特性

對于冬季工況時的AHU，由于室外空氣的含濕量較低，在經由加熱段升溫后，還需增加濕量送入室內以保證人體的舒適性[12]，機組內換熱器之后通常設有干蒸汽加濕器或電極式加濕器；對于室內空氣品質要求較高的地方，還要求AHU內增設過濾段。機組內風機出口風速較大，若無法保證氣流均勻分布，將會降低其后其他功能段的使用效率，可見斷面風速均勻度具有重要意義[13]。圖6為相同風速下橢圓管與圓管換熱器出風斷面處的速度分布云圖，可以看出：經橢圓管換熱器處理后的出風口風速均勻度明顯優(yōu)于圓管，該特征保障空氣受熱后能夠在之后的加濕段更加均勻充分地獲得濕量。

圖6 橢圓管與圓管換熱器在不同入口風速時出風口斷面速度分布云圖

圖7為翅片管空氣側剖面速度分布云圖，可以看出：空氣進入管間區(qū)域，由于流通面積驟減，使得速度增加，在脫離壁面處達到最大；在換熱管背風側的擾動程度較弱，速度很小，部分空氣無法被主流帶走，流經管束后形成一個渦流區(qū)(即流動死區(qū))。渦流區(qū)的存在增加了壓力損失，阻礙了換熱。對比兩種結構形式，橢圓管尾部空氣和管的分離點較圓管偏后，渦旋區(qū)域面積比圓管小很多，這正是此類換熱器流動損失小的原因。

圖7 橢圓管與圓管換熱器在不同入口風速時空氣側剖面速度分布云圖

圖8為翅片管空氣側剖面溫度分布等值線，可以看出：沿程空氣溫度不斷上升，流道內部靠近管壁的溫度較高，中心主流區(qū)溫度較低。在基管迎風側等值線較密，溫度梯度較大，換熱強烈；而在基管背風側，循環(huán)流動的空氣不能有效帶走熱量，使得管后面的溫度較高，接近管壁溫度，熱驅動力減弱，換熱能力相應減小，此處等值線較疏，溫度梯度明顯減小，由傅里葉定律可知溫度梯度越大傳熱效果越好，因此該區(qū)域的換熱最弱。隨著速度的增加，翅片表面平均溫度降低，管背風側的尾流區(qū)域內的高溫區(qū)面積不斷減小，等溫線愈發(fā)密集，流傳熱效果得到增強。對比兩種結構型式，橢圓管后的高溫區(qū)較圓管小，這與速度云圖中的渦流區(qū)分布特征相一致。主要原因是管型的差異影響了溫度分布，導致換熱性能的不同。

圖8 橢圓管與圓管換熱器在不同入口風速時空氣側剖面溫度分布等值線

2.3 結構參數對換熱器性能的影響

2.3.1 翅片間距對橢圓管換熱器性能的影響

2.3.2 翅片厚度對橢圓管換熱器性能的影響

圖10 橢圓管翅片換熱器綜合換熱性能系數隨翅片厚度的變化曲線

2.3.3 管間距對橢圓管換熱器性能的影響

管間距影響著AHU的長度與高度。本文設置了5種不同的列間距與排間距，如表3所示，其中：編號1為標準管間距；編號2、3分別增大及減小列間距；編號4、5分別增大及減小排間距，增大和減小的幅度一致。

表3 換熱管管間距結構參數表

圖11 不同管間距的橢圓管翅片換熱器綜合換熱性能系數隨入口風速的變化曲線

3 結 論

本文針對位于集約型AHU內的橢圓管翅片換熱器，首先從出口空氣平均溫度與綜合換熱性能上，探究了其對比傳統(tǒng)圓管翅片換熱器之間的差異；其次對比了兩者空氣側出風均勻性、速度及溫度場的分布特征；最后探討了三種結構參數對橢圓管翅片換熱器綜合換熱性能的影響。本文得出以下結論：

a)橢圓管翅片換熱器的出口平均溫度高，綜合換熱性能優(yōu)于圓管翅片換熱器，在相同流體物性參數的條件下，將其代替圓管翅片換熱器運用于AHU內能夠強化傳熱的同時減小流動阻力，進而減少風機能耗，提升整個空調系統(tǒng)的效率；提高換熱器進口速度，對換熱器的換熱效果起到一定的積極作用，然而隨著速度的增大，綜合性能的增加率逐漸降低，機組內風機能耗升高。因此不能盲目地增大風速，而應考慮到空調系統(tǒng)的能耗問題。

b)橢圓管翅片換熱器出風速度較圓管更均勻；空氣側凈流面積大，管背風側渦流區(qū)及高溫區(qū)的面積小，是其綜合性能優(yōu)于圓管翅片換熱器的原因。

c)增加翅片間距可以提高橢圓管翅片換熱器的綜合換熱性能，但會增加機組的寬度；翅片厚度對于綜合換熱性能的影響存在一個最優(yōu)點，合理地選擇翅片厚度可以使得換熱性能高的同時節(jié)省制造用材；管間距對于換熱性能的影響存在一個最優(yōu)點，在設計機組內換熱器間距時，需首先考慮最優(yōu)點，保證綜合換熱性能高的同時減小機組的體積及占地面積。

[10] 袁益超,衣志超,王學剛.開縫布置方式對開縫翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響[J].熱科學與技術,2015(6):462-469.

[11] 鄭冬,王志毅.緊湊型空氣處理機組設計[J].制冷與空調,2014,14(2):19-22.

[12] 黃翔.空調工程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2015:168-171.

[13] 陳二松,梁路軍,路則鋒.空調箱擴散段氣流均勻性的實驗研究[J].暖通空調,2010,40(1):129-133.

[14] 李闖,谷波,郝源成.空調箱表冷器性能仿真與結構優(yōu)化[J].流體機械,2012(3):71-75.

(責任編輯： 康 鋒)

Numerical Simulation of Air-Side Characteristic of Oval-tube Fin Heat Exchangers in Intensive AHU

DINGWeixianga,WANGZhiyib

(a. Faculty of Mechanical Engineering & Automation; b. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

For oval-tube fin heat exchangers in intensive AHU, CFD method was used for numerical simulation on the basis of reasonable model simplification, and the oval-tube fin heat exchanger was compared with circular-tube fin heat exchanger with the same equivalent diameter. This paper studied and analyzed the differences between two kinds of heat exchangers in terms of comprehensive performance, and the distribution feature of the air-side velocity and temperature field. The results show that the average temperature at the outlet of oval-tube heat exchanger is high; vortex and high temperature area at the tail is small; the comprehensive heat exchange performance is superior to circular-tube heat exchanger. The application of oval-tube heat exchanger in AHU can reduce the resistance losses and enhance the heat transfer. Furthermore, the oval-tube heat exchanger can improve the overall efficiency of air conditioning system. In addition, this paper discussed the effects of fin distance, fin thickness and tube distance on the performance of oval-tube fin heat exchanger, providing the reference for the application and design optimization of the oval tube in AHU.

intensive AHU; oval-tube fin heat exchangers; comprehensive heat transfer performance; structure parameter; numerical simulation

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.01.011

2016-06-28

日期： 2017-01-03

丁偉翔(1991-)，男，福建南平人，碩士研究生，主要從事流體機械理論及應用方面的研究。

王志毅，E-mail: zywang-wf@163.com

TK172

A

1673- 3851 (2017) 01- 0063- 08