翅片管換熱器計(jì)算機(jī)模擬的建模方法綜述

宋銘

摘 要：近年來(lái)，對(duì)于換熱器的傳熱問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法，發(fā)展了許多數(shù)值傳熱學(xué)的方法，主要包括有限差分法、有限單元法、有限分析法、邊界元和有限體積等。對(duì)近年來(lái)不同的計(jì)算機(jī)建模方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的綜述性整理，以翅片管換熱器計(jì)算機(jī)模擬建模的方法為例進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：翅片管換熱器；計(jì)算機(jī)模擬；冷凝器；蒸發(fā)器

中圖分類號(hào)：U464.138.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.065

在制冷/熱泵裝置中，換熱器主要分為蒸發(fā)器和冷凝器，作為制冷劑與被冷卻介質(zhì)熱量交換的媒介，其形式特征多樣，性能特點(diǎn)也不盡相同。本文將對(duì)近年來(lái)不同的計(jì)算機(jī)建模方法進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述性整理，以翅片管換熱器計(jì)算機(jī)模擬建模的方法為例進(jìn)行討論。

1 翅片管換熱器的數(shù)值模擬

翅片管換熱器作為目前空調(diào)最常用的換熱器，能廣泛應(yīng)用于制冷劑和空氣、水之間的強(qiáng)化換熱，換熱管道一般為多管呈蛇形布置，翅片分為單、雙或多排結(jié)構(gòu)，翅片管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工，使其在制冷空調(diào)、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。研究表明，翅片管換熱器管內(nèi)熱阻∶銅管翅片的接觸熱阻∶管外空氣側(cè)熱阻=2∶1∶7，可見(jiàn)管外翅片的換熱性能是制約換熱器總體性能的主要因素。

1999年，Xi等人對(duì)比分析用二維和三維模擬2種方法研究了翅片管的換熱特性，結(jié)果表明，前者的模擬結(jié)果大于后者，并提出了建議用二維模擬替代三維模擬進(jìn)行定性研究。

2005年，西安交通大學(xué)的何雅玲等人采用數(shù)值模擬的方法對(duì)平翅片管中的流體流動(dòng)與換熱進(jìn)行三維仿真，對(duì)5種不同的影響因素——Re數(shù)、翅片間距、管排數(shù)、橫向和縱向的管間距進(jìn)行了考察，并引入場(chǎng)協(xié)同理論分析了數(shù)值模擬的結(jié)果。

2016年，Zhang等人采用分布參數(shù)法對(duì)用于三股流換熱的翅片管換熱器的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，提出新型的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。模擬計(jì)算流程如圖1所示。

2016年，韓國(guó)學(xué)者Jung等人提出了空調(diào)系統(tǒng)中翅片管換熱器制冷劑與空氣側(cè)換熱模擬計(jì)算的改進(jìn)熱力模型，其中，在兩相流部分，作者分別對(duì)氣相和液相部分建立獨(dú)立的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中溫度和壓力的最大誤差分別不超過(guò)5 ℃和4%.其中，氣液相的質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程如下：

2016年，Liu等人對(duì)采用大翅片間距的多孔型翅片在空氣側(cè)的換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，針對(duì)不同開(kāi)孔尺寸、開(kāi)孔數(shù)目、翅片間距下空氣側(cè)換熱的j因子和換熱比例進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論，并提出了增大換熱面積以提高多孔型翅片換熱能力的可行性方法。其中，該作者使用的寬翅片間距的翅片管換熱器及溫度場(chǎng)模擬情況如圖2所示。

2 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算流體力學(xué)和傳熱學(xué)的快速發(fā)展使人們對(duì)換熱器中的流體換熱和流動(dòng)特性有了更加直觀的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何提高計(jì)算機(jī)仿真模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)推動(dòng)數(shù)值模擬的發(fā)展起了至關(guān)重要的作用。然而，目前對(duì)于數(shù)值模擬仍然存在一些問(wèn)題值得深入研究。

對(duì)于制冷劑而言，單相液體和單相氣體的換熱特性相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)其理論計(jì)算的準(zhǔn)確性也能保證。但對(duì)于換熱器中的制冷劑氣液兩相流動(dòng)而言，傳熱過(guò)程伴隨著傳質(zhì)過(guò)程的進(jìn)行，換熱系數(shù)隨著流動(dòng)干度的變化而變化，而針對(duì)管內(nèi)側(cè)兩相流動(dòng)與傳熱的預(yù)測(cè)還存在較大的誤差，特別是采用多元混合制冷劑的制冷循環(huán)中，氣液相制冷劑組分的變化以及制冷劑物性計(jì)算的準(zhǔn)確度均對(duì)傳熱和流動(dòng)特性的計(jì)算起決定性作用。針對(duì)這一塊的研究，應(yīng)更加注重機(jī)理性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于制冷系統(tǒng)而言，單純地以提高換熱器的換熱性能并不一定能提高制冷系統(tǒng)的整體效率，應(yīng)綜合考慮壓縮機(jī)、內(nèi)外電機(jī)的耗功、管道的流動(dòng)阻力等因素，合理制訂制冷劑流量、壓縮機(jī)排量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等，從而使系統(tǒng)在最低耗功的前提下獲得最強(qiáng)的制冷能力。因此，在提高換熱器數(shù)值模擬精確度的同時(shí)，應(yīng)降低模擬的復(fù)雜程度，提高運(yùn)算效率，并將換熱器的數(shù)值模擬運(yùn)用于系統(tǒng)的整體運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬中，以獲取系統(tǒng)整體多變量之間的非線性最優(yōu)化耦合，為制冷/熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供有力的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕