管排數(shù)對波紋翅片管換熱器的性能影響研究

王冠 徐國強(qiáng) 張童

西安建筑科技大學(xué)建筑科學(xué)與設(shè)備工程學(xué)院

0 引言

翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中[1]。由于空氣側(cè)的傳熱系數(shù)較低，常在空氣側(cè)加裝翅片從而提高傳熱性能。波紋翅片管換熱器的傳熱性能介于百葉窗翅片管換熱器與平直翅片管換熱器之間，其連續(xù)的波紋結(jié)構(gòu)可以抵抗不利環(huán)境，常用于解決由于沉積顆粒物以及凍結(jié)水所引起的堵塞或者結(jié)垢問題[2]。

在換熱器實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]，未與實(shí)際環(huán)境相結(jié)合，造成能源浪費(fèi)。為優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)生產(chǎn)方案，本文利用Matlab 模擬計(jì)算了不同氣象參數(shù)下?lián)Q熱器的換熱量，除濕量，進(jìn)出口空氣溫差及進(jìn)出口水溫差與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，從而對換熱器在不同區(qū)域運(yùn)行時(shí)應(yīng)采用的最優(yōu)管排數(shù)這一問題提供技術(shù)參考。

1 數(shù)學(xué)模型

本文以逆流式波紋翅片管換熱器為研究對象，管內(nèi)徑為8.82 mm，縱向管間距為25 mm，翅片厚度為0.115 mm，翅片間距為2.8 mm，橫向管間距為21.65 mm，示意圖見圖1。

圖1 波紋翅片管換熱器示意圖

本文使用分排參數(shù)法[4]進(jìn)行建模。沿空氣流動(dòng)方向按管排數(shù)N 將波紋翅片管換熱器劃分為N 個(gè)控制體，結(jié)合每排的干濕工況選擇不同的理論公式對換熱器分排進(jìn)行建模。

水側(cè)模型公式：

式中：Q 為換熱量，kW；αw為水側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ai為換熱器管內(nèi)橫截面積，m2；twall為壁溫，℃；tw1、tw2分別為進(jìn)、出口水溫，℃。

式中：W 為水流量，kg/s；cwm為水平均質(zhì)量比熱容，kJ/(kg·℃)。

空氣側(cè)模型公式：

式中：αα為空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ao為換熱器外表面換熱面積，m2；t1、t2分別為進(jìn)、出口空氣溫度，℃；twall為壁面溫度，℃。

式中：mα為空氣流量，kg/s；h1、h2分別為進(jìn)、出口空氣的焓值，kJ/kg。

水側(cè)換熱系數(shù)采用Gnielinski 方程[5]計(jì)算：

式中：f=(0.79lnRew-1.64)-2；Rew為水側(cè)雷諾數(shù)；Prw為水側(cè)普朗特?cái)?shù)。

空氣側(cè)換熱系數(shù)在干工況下采用Wang 等人[6]提出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算：

式中：Dc為翅片根部管直徑，mm；ReDc為基于翅片根部管直徑的雷諾數(shù)；Pl為縱向管間距，mm；Pt為橫向管間距，mm；Fp為翅片間距，mm；θ 為波紋翅片角度，°；N為換熱器管排數(shù)。

濕工況下采用Kuvannarat 等人[7]提出的關(guān)聯(lián)式計(jì)算具體如下：

式中：At為換熱器總表面積，m2；Ap,o為換熱器外表面換熱面積，m2；δf為翅片厚度，mm。

2 管排數(shù)對性能影響的結(jié)果分析

本文以西安，杭州與廣州三個(gè)城市作為代表城市在入口水溫為7 ℃、風(fēng)速為2 m/s、水流速度為1 m/s 的運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行仿真研究，三個(gè)城市六月份平均溫度及平均相對濕度分別為26.5 ℃及55%，4.8 ℃及81.7%，28.2 ℃及83%。

2.1 不同翅片間距的情況下

對于杭州，廣州與西安地區(qū)，在翅片間距為2.8 mm，3.0 mm 和3.2 mm 幾種情況下，進(jìn)出口空氣溫差，進(jìn)出口水溫差，換熱量及除濕量隨管排數(shù)而變化的情況如圖2、3 所示?？梢?，在相同翅片間距下，換熱器的進(jìn)出口空氣溫差，進(jìn)出口水溫差，換熱量及除濕量隨著排數(shù)的增加逐漸增加。在相同排數(shù)下，換熱器的進(jìn)出口空氣溫差，進(jìn)出口水溫差，換熱量及除濕量隨著翅片間距的減小逐漸增加。管排數(shù)越大在不同地區(qū)應(yīng)用時(shí)的數(shù)值差異越大。

圖3 在不同翅片間距下進(jìn)出口空氣溫差及進(jìn)出口水溫差隨管排數(shù)的變化情況

管排數(shù)為4 排時(shí)，當(dāng)翅片管間距為2.8 mm，廣州地區(qū)換熱量及除濕量分別為7.66 kW 及6.86 kg/h。杭州地區(qū)換熱量及除濕量分別為6.22 kW 及5.16 kg/h。西安地區(qū)換熱量及除濕量分別為6.21 kW 及3.52 kg/h。杭州地區(qū)較廣州地區(qū)換熱量及除濕量分別減小18.8%及24.8%，較西安地區(qū)換熱量及除濕量分別增加0.1%及31.8%。

管排數(shù)為10 排時(shí)，當(dāng)翅片管間距為2.8 mm，廣州地區(qū)換熱量及除濕量分別為14.35 kW 及13.03 kg/h。杭州地區(qū)換熱量及除濕量分別為11.35 kW 及9.55 kg/h。西安地區(qū)換熱量及除濕量分別為10.19 kW及5.84 kg/h。杭州地區(qū)較廣州地區(qū)換熱量及除濕量分別減小20.9%及26.7%，較西安地區(qū)換熱量及除濕量分別增加10.2%及38.8%。

2.2 不同橫向管間距情況下

對于杭州，廣州與西安地區(qū)，在橫向管間距為25 mm，27 mm 和29 mm 幾種情況下，進(jìn)出口空氣溫差，進(jìn)出口水溫差，換熱量及除濕量隨管排數(shù)而變化的情況如圖4、5 所示?？梢?，在相同排數(shù)下，換熱器的進(jìn)出口空氣溫差，進(jìn)出口水溫差，換熱量及除濕量隨著橫向管間距的增加逐漸增加。

圖4 在不同橫向管間距下?lián)Q熱量、除濕量隨管排數(shù)的變化情況

圖5 在不同橫向管間距下進(jìn)出口空氣溫差及進(jìn)出口水溫差隨管排數(shù)的變化情況

為了保證換熱量在9～11 kW 的范圍內(nèi)，當(dāng)橫向管間距為25 mm 時(shí)，在西安可取管排數(shù)為8～10 排，杭州可取管排數(shù)為7～9 排，廣州可取管排數(shù)為5～7 排。當(dāng)橫向管間距為27 mm 時(shí)，在西安可取管排數(shù)為7～9排，杭州可取管排數(shù)為6～7 排，廣州可取管排數(shù)為5排。當(dāng)橫向管間距為29 mm 時(shí)，在西安可取管排數(shù)為5～7 排，杭州可取管排數(shù)為5～6 排，廣州可取管排數(shù)為4 排。

3 結(jié)論

本文使用Matlab 數(shù)值仿真對波紋翅片管換熱器進(jìn)行計(jì)算，探討了在不同地區(qū)時(shí)使用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱量及除濕量的影響，為后續(xù)波紋翅片管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1）當(dāng)其它參數(shù)相同時(shí)，換熱量與除濕量隨著管排數(shù)的增加而逐漸提高，但增強(qiáng)趨勢逐漸變緩。翅片間距的減小以及橫向管間距的增加同樣可以提高換熱量與除濕量。

2）當(dāng)管排數(shù)由4 排提高至10 排后，杭州地區(qū)較西安地區(qū)應(yīng)用時(shí)增加的換熱量提高10%。

3）為保證波紋翅片管換熱器在不同區(qū)域應(yīng)用時(shí)的換熱量在9～11 kW 內(nèi)。當(dāng)橫向管間距為25 mm，翅片間距為2.8 mm 時(shí)，在西安可取管排數(shù)為8～10 排，杭州可取管排數(shù)為7～9 排，廣州可取管排數(shù)為5～6 排。