波紋翅片管蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析

＊高天真 周俊杰

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 河南 450001）

波紋翅片管蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析

＊高天真 周俊杰

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院 河南 450001）

本文對(duì)蒸發(fā)器換熱性能數(shù)值模擬，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬的正確性。結(jié)果顯示，隨著雷諾數(shù)的增加干濕工況努塞爾數(shù)增加，阻力系數(shù)下降。對(duì)W，WP，PW，WPW，PWP五種翅片結(jié)構(gòu)形式的換熱性能分析得出WP型翅片換熱效果最好，其總換熱量比W型高7.2%左右。

波紋翅片；數(shù)值模擬；析濕工況；實(shí)驗(yàn)

1.前言

汽車工業(yè)的發(fā)展，使得人們更加追求汽車的舒適性。蒸發(fā)器(HVAC)是其空調(diào)系統(tǒng)中直接產(chǎn)生冷量的部件，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的整體性能有著顯著的影響。本文將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法結(jié)合起來(lái)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)模擬析濕工況下空氣在空調(diào)內(nèi)部流動(dòng)的換熱特性研究，指導(dǎo)汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)。

2.翅片管換熱器三維模擬與分析

(1)模型簡(jiǎn)化

由于翅片存在周期性與對(duì)稱性，選擇六排管W型波紋翅片計(jì)算區(qū)域，如圖1所示。

圖1 六排管W型翅片計(jì)算區(qū)域示意圖

(2)控制方程

本文利用三大守恒方程，質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，其通式如下：

(3)網(wǎng)格劃分

本文對(duì)翅片進(jìn)行局部加密處理。如圖2所示為網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 六排管W型翅片網(wǎng)格劃分示意圖

(4)邊界條件

圖3為邊界條件示意圖。進(jìn)口邊界為VELOCITYINLET，溫度為300K，出口流體邊界為OUTFLOW，模型的上下邊界為PERIODIC，左右邊界為SYMMETRY。流體區(qū)域?yàn)镕LUID，翅片和管為SOLID(管被設(shè)置為恒溫)。

圖3 邊界條件

(5)網(wǎng)格考核

獨(dú)立性考核結(jié)果如圖4?？梢钥闯鼍W(wǎng)格數(shù)19萬(wàn)與21．5萬(wàn)的阻力系數(shù)誤差為0．38%，努塞爾數(shù)誤差為2．67%，均在誤差允許范圍內(nèi)。故選用網(wǎng)格數(shù)為19萬(wàn)。

圖4 努塞爾數(shù)與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系

3.數(shù)值模擬結(jié)果與分析

(1)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

以W型波紋翅片為例。對(duì)比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出口溫度與換熱量值。表1為誤差數(shù)據(jù)，誤差均在允許范圍內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬誤差對(duì)比

(2)干濕工況下雷諾數(shù)對(duì)換熱效果的影響

以兩排管為例，如圖5為干濕空氣流速3m/s時(shí)的溫度分布。

圖5 干濕工況下溫度與壓力分布圖

圖5看出在相同的入口溫度和管壁溫下，濕空氣在換熱過(guò)程中溫度均勻，過(guò)度明顯。

圖6中看出干濕空氣的努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)的增加而增大，流動(dòng)阻力隨雷諾數(shù)的增加而減小。雷諾數(shù)相同時(shí)干空氣的換熱量高于濕空氣，出口溫度比濕空氣低。受管排數(shù)的影響故以下選用六排管計(jì)算。

圖6 不同雷諾數(shù)下干濕空氣換熱性能

(3)不同翅片結(jié)構(gòu)換熱性能比較

本文分析五種翅片組合形式：W(全波紋)、WP(前波紋后平板組合)、PW(前平板后波紋組合)、WPW(波紋平板波紋組合)、PWP(平板波紋平板組合)。

圖7 W型翅片溫度云圖

圖7 為W型翅片溫度分布。WPW與PWP平板區(qū)域溫度均勻，而波紋降溫效果好；出口段波紋溫度出現(xiàn)擾動(dòng)，而平板更均勻。

圖8中相同泵功隨雷諾數(shù)的增加五種翅片組合形式換熱量降低。

圖8 單位泵功隨雷諾數(shù)的變化

4.結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)波紋翅片管換熱器傳熱和流動(dòng)特性研究，主要結(jié)論如下：

(1)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：出口溫度誤差為3．91%，進(jìn)出口焓差誤差為5．22%，換熱量誤差為5．27%。

(2)隨雷諾數(shù)的增加干濕工況努塞爾數(shù)均增加，但流動(dòng)阻力降低。

(3)對(duì)比W、WP、PW、WPW、PWP五種結(jié)構(gòu)，PWP形翅片出口溫度高比W形高1．92%。波紋翅片結(jié)構(gòu)的擾流作用實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。

高天真（1991～），女，鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，研究方向：傳熱傳質(zhì)，設(shè)備設(shè)計(jì)。

((責(zé)任編：李田田)

Optimal Design and Performance Analysis of Wavy Fin Tube Evaporator

Gao Tianzhen, Zhou Junjie

（School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, He’nan, 450001）

This paper has taken numerical simulation of evaporator’s heat exchanging performance and has taken experiments to verify the accuracy of simulation. The results have showed that, along the increase of Reynolds number, the Nusselt number of dry or wet cooling conditions increases and the resistance coefficient decreases. After analyzing the heat exchanging performance of the five kinds of fins structures∶ W, WP, PW, WP W, we have got that, the heat exchanging effect of WP type of fin is the best, and its total heat exchanging content is 7.2% higher than that of W type.

wavy fin；numerical simulation；dehumidifying conditions；experiment

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