圆孔翅片管式换热器的节能性能试验研究(修改过)

LOGO圆孔翅片管式制冷换热器的节能性能试验研究市建委项目验收会项目研究工作总结报告一、项目的研究进展二、项目研究的主要工作一、项目的研究进展2008年初2008年4－8月2009年3－6月2009年7－9月①干工况下（加热工况）空气外掠翅片管流动与换热的数值模拟研究②大直径圆孔翅片管结霜工况下的样件对比性实验和变间距实验研究③SK型制冷换热器的样机试验研究④撰写项目研究技术报告完成验收文件的准备工作申请准备项目验收二、项目研究的主要工作引言1234翅片管流动与换热的数值模拟圆孔翅片管结霜下的样件试验研究项目研究结论与研究成果SK型制冷换热器样机对比性试验研究51尚待解决的问题1.引言冷风机蒸发器、无霜冰箱蒸发器、风冷热泵室外机等制冷换热器均采用矩形平翅片，因此研制结霜状况下仍能维持较好换热特征的高效翅片，对更新及改造该类换热器具有重要意义。条缝形翅片及百叶窗形翅片现已广泛应用于空调工程中，换热效果比平翅片优越，但在制冷情况下，孔缝易被霜层堵塞，从而丧失强化传热特征，不适用于制冷换热器。通过大量的理论分析与实验研究，圆孔翅片管式换热器在干工况下和制冷工况下有很好传热效果。2.1数值模拟的意义（1）分析翅片表面的流动与换热对于了解翅片表面的换热特征、分析翅片表面换热的薄弱环节，以便采取针对性的强化传热措施，提高翅片管式换热器的强化传热能力具有重要意义；（2）采用数值模拟方法研究了空气沿矩形翅片表面的流动和换热特征，定量地分析了翅片表面换热的薄弱部位，为大直径圆孔在翅片表面的开设位置提供了理论依据。2.翅片管流动与换热的数值模拟2.翅片管流动与换热的数值模拟2.2模型与数值模拟方法(1)计算的几何模型管子外径D0=25mm，翅片厚度δ=0.5mm，管间距Y=76mm，翅片间距S=10mm，翅片宽度W=61mm模拟单元气流方向0CYDWe模拟单元气流方向0HeDYDWeWDYDeH0气流方向模拟单元(2)边界条件的确定(1)(2)(3)(4)忽略翅片和钢管的接触热阻和翅片与基管间的辐射换热;翅片表面温度分布采用翅片导热、翅片表面与空气间的对流换热耦合求解空气进入换热器的温度297.8K;翅片根部及钢管的表面温度347.38K;翅片及圆管材料为钢材;翅片的导热系数为常数对翅片边缘及中剖面采用绝热边界条件;对于空气流道取为对称边界条件；翅片表面处为无滑移边界条件(3)数值模拟方法GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其他软件包，如CAD，CAE等几何形状或网格TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D的混合网格边界和(或)体网格边界网格FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理网格2D或3D网格PrePDFPDF查表PDF程序基本程序结构示意图(1)翅片间速度分布(u=1m/s)空气速度很小，形成一循环流动的尾流区正对着圆管的空气速度逐渐减小最大值出现在圆管两侧的中心部位2.3平翅片模拟计算结果(2)翅片表面温度(u=1m/s)前沿部分温度较低，越靠近基管，翅片温度越高；基管后面形成一面积较大的高温区域，这是空气涡旋循环流动的尾流区。Nu分布图翅片的进口段出现了最高的努谢尔特数。沿着流动方向，Nu逐渐减小Nu数最小值出现在管后尾流区温度分布图(3)翅片表面局部Nu数分布(u=1m/s)(4)模拟结果和实验结果比较速度(m/s)1234当量表面传热系数(w/m2.k)10.6812.8214.6215.94实验平均表面传热系数(w/m2.k)13.8317.2420.3622.72模拟平均表面传热系数(w/m2.k)15.319.122.124.381.1061.1081.0851.073uoh'oh0h00hh模拟结果与实验结果对比，最大相对误差为10.8%，而最小相对误差仅为7.3%，充分说明模拟结果的正确性。(1)翅片间的速度分布比较(u=1m/s)3.圆孔上与基管中心两侧的速度最大值相等。2.显然圆孔对翅片起到增强换热的效果，减小了翅片换热的尾流区面积。2.圆孔对空气的流动产生了影响，破坏了流动边界层；1.圆孔后面和上方空气速度有所增大；1.与平翅片比较，最大变化是，基管后面尾流区的面积明显减小；2.4双圆孔翅片与平翅片模拟计算结果比较翅片表面Nu数分布3.说明对称圆孔翅片起到了强化换热的效果。1.无论是从最小值或最大值，都有明显的增大；图(b)Nux的最大值为1360，图(a)中Nux的最大值为1130，二者相差达20%；2.尾流区面积也明显减小；(2)翅片表面局部Nu数分布比较(u=1m/s)(a)(b)(3)计算结果与实验结果的比较速度(m/s)1234实验平均表面传热系数(w/m2.k)15.2119.5623.4527.14模拟平均表面传热系数(w/m2.k)16.421.6825.7228.731.0781.1081.0971.059u'oh0h00hh1.两者比较，最大相对误差为10.8%，而最小相对误差仅为5.8%。2.数值模拟与实验数据基本吻合，验证了本文数值模拟方法的可靠性。结果(1)翅片间的速度分布比较(u=1m/s)2.5SK型圆孔翅片与平翅片模拟计算结果比较1、圆孔对气流的扰动作用非常明显，基管后圆孔面上的气流速度明显增大，最大值达1.18m/s；2、基管间翅片的中心位置上增加的圆孔有力地破坏了空气流动边界层，并增强了气流的扰动，该圆孔面上最大风速达1.28m/s，远高于双圆孔翅片同一位置风速。(a)(b)速度分布比较(2)翅片表面局部Nu数分布比较(u=1m/s).Nu数分布比较1、在相同的位置上，SK型圆孔翅片的努谢尔特数比双圆孔翅片高出120左右；2、在基管中心线平行的位置，双圆孔翅片的Nux数为857，而SK型圆孔翅片高达983，增幅接近15%2.6不同翅片模拟结果分析比较矩形平翅片和对称圆孔翅片的模拟结果与实验结果吻合较好，从而证实了模拟方法正确性。用这种方法模拟的结果可信度高，具有可比性。从图数据显示，SK型圆孔翅片换热效果最好，平均表面传热系数比平翅片提高25%以上，比对称圆孔翅片最小也提高了7%左右，强化传热效果非常明显。051015202530351.002.003.004.00速度(m/s)平均表面传热系数(w/m2.k)平翅片圆孔翅片SK型圆孔翅片2.6结论（1）通过模拟结果与实验数据的比较，证实了本项目模拟方法的正确性。（2）在翅片表面换热的薄弱部位开孔，可以获得显著的强化传热效果。（3）模拟结果证实：SK型圆孔翅片管具有优越的强化传热效果，是三种片型中换热效果最优的片型。3.圆孔翅片管结霜下的样件试验研究3.2实验数据处理3.3单排翅片管试验结果分析比较结霜工况下实验研究3.1试验装置和试件3.4三排变间距翅片管试验结果3.5结论3.1试验装置和试件(1)实验装置图314接水龙头15121354721蒸发器进口蒸发器出口128661235981119101416171820226231-湿球温度计2-混合箱3-小风机4-蜂窝器5-混合器与均流板6-干球温度计7-实验样件8-倾斜式微压计9-热电偶网10-测速11-毕托管12-风阀13-大风机14-加热器15-加湿器16-冰瓶17-转换开关18-电位差计19-压力表20-压缩机21-冷凝器22-节流阀23-功率表实验台照片加热加湿装置调压器变径段，测风速微压差计，电位差计制冷系统(2)试验样件1.样件的设计原理2.翅片类型样件的设计原理翅片类型Contents1.空气掠过翅片管时，形成一循环流动的尾流区，区内循环流动使流体温度升高，换热恶化，在管后开孔增加扰动破坏尾流区域2.气流沿平翅片向前流动时，边界层逐渐增厚，局部换热系数沿程降低，开孔破坏边界层的形成。管子外径D0=16mm，翅片厚度δ=0.8mm，管间距Y=50mm，翅片间距S=10mm，翅片宽度W=50mm实验试件单排样件一排翅片管组成，矩形平翅片、对称圆孔翅片和SK型圆孔翅片，每种翅片类型各做一排，翅片间距为10mm，每排翅片管式换热器有28片翅片。三排变间距样件变间距换热器由三排翅片管组成，第一排换热器的翅片间距为16mm，第二片换热器的翅片间距为13mm，第三排换热器的翅片间距为10mm。片数分别为17、21、28。3.2实验数据处理1fi(1)实际制冷量(2)当量表面传热系数(3)压缩机的COP值——蒸发器进口空气的焓，kJ/kg；——蒸发器出口空气的焓，kJ/kg；——空气流的质量流量，kg/s。012()aahhm1ah2ahm000/hAT12()/2saaTTTT0COPP3.3单排翅片管试验结果分析比较制冷量与速度关系图制冷量随时间变化曲线图（u=2.9m/s）1234与平翅片相比较，SK型圆孔翅片的强化传热效果最为显著制冷量随时间的变化趋势一致，都随时间先增大后减小。制冷量最大提高16.87%，最小是3.03%，平均提高了9.1%结霜初期，霜晶粒增加的传热面积和气流扰动；结霜后期，霜层影响制冷性能(1)制冷量比较0.000.501.001.502.002.501.872.904.304.705.00速度(m/s)制冷量(kw)平翅片双圆孔翅片SK型圆孔翅片0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.805090130170210250时间τ(min)制冷量φ0(Kw)平翅片双圆孔翅片SK型圆孔翅片(2)当量表面传热系数当量表面传热系数与速度关系图当量表面传热系数随时间变化图（u=2.9m/s）SK型圆孔翅片的换热效果最好与平翅片相比，平均提高了64.29%开始随时间延长换热系数增大，随后降低当量换热系数随时间变化趋势基本一致0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.001.872.904.304.705.00速度u(m/s)当量表面传热系数(w/m2.k)平翅片双圆孔翅片SK型圆孔翅片0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.005090130170210250时间τ（min)当量表面传热系数(w/m2.k)平翅片双圆孔翅片SK型圆孔翅片（3）蒸发器阻力随时间的变化蒸发器在低温工况下工作，霜层是蒸发器阻力形成的主要原因，而翅片形状的不同对蒸发器阻力的影响较小，只有在干工况下，翅片形状对换热器的阻力形成才起到重要的作用0.005.0010.0015.0020.005090130170210250时间τ(min)蒸发器阻力△P(pa)平翅片对称圆孔翅片三对称圆孔翅片蒸发器阻力随时间的变化图（u=1.87m/s）（4）COP值比较1.COP值最小的是平翅片的，次之是对称圆孔翅片，最大的是SK型圆孔翅片2.SK型圆孔翅片COP值最大比平翅片提高31%，最小提高15%，平均提高23.4%3.4翅片表面霜层的变化压缩机运行1小时30分钟时试件表面的霜层分布压缩机运行3小时试件表面的霜层分布压缩机结束运行时试件表面的霜层分布在低温工况下，翅片管式蒸发器表面霜层的生长和分布是非常不规则的，假设翅片表面霜层的生长和分布为均匀的模型，其计算结果误差太大，可信度不高。3.5三排变间距翅片管试验结果（1）平均表面传热系数123变间距翅片管试件当量表面传热系数开始随速度的增大而增大，在风速为2.9m/s时最大，之后随速度的增大而减小；非变间距翅片管试件当量表面传热系数开始随风速的增大而增大，随后减小，到了速度为4.3m/s时，随风速的增大而增大；前三个风速下变间距试件平均表面传热系数比非变间距试件提高了12.6%，最大提高了18.3%，最小提高了9.4%。蒸发器阻力随时间的变化曲线图（2）蒸发器阻力0.000.501.001.502.002.503.003.501.872.904.304.705.00速度u(m/s)制冷量Q（W/(m2.K)）非变间距换热器变间距换热器（3