宋 建 蔡家斌 熊賢沙 李家春

（貴州大學機械工程學院 貴州貴陽 550025）

空氣源熱泵技術常用于農作物干燥，建筑供暖等領域，翅片管換熱器作為熱泵系統(tǒng)重要的一部分，對其進行研究有助于提高系統(tǒng)節(jié)能效益。李猛等［1］通過數(shù)值模擬方法研究了開縫翅片管換熱器開縫數(shù)量對換熱性能的影響，認為翅片開縫數(shù)量應考慮綜合流動換熱特性進行合理分配。也有研究認為降低翅片結構復雜程度有利于降低空氣側壓降并減少積灰現(xiàn)象［2-3］。還有研究發(fā)現(xiàn)改變翅片結構能提升換熱器換熱性能［4-5］。

根據(jù)波紋翅片管結構對換熱器換熱性能的影響，利用CFD 技術構建換熱器模型并進行數(shù)值模擬分析，探究翅片間距、翅片管縱向間距、翅片波紋高度對換熱器換熱機理研究。

1 模型建立與方法

1.1 模型建立

研究對象為常用波紋翅片管換熱器，翅片管材料為銅，翅片材料為鋁，3 排，叉排組合，翅片管結構如圖1，為分析翅片結構對換熱器性能影響，采用翅片間距、翅片管縱向間距、翅片波紋高度3 個指標對翅片管換熱器進行數(shù)值模擬分析。翅片間距FP（1.5、2.0、2.5、3.0 mm），縱向間距S2（17.65、19.65、21.65、23.65 mm），翅片波紋高度GP（0.8、1.0、1.2、1.4 mm），假定進口流速、翅片換熱區(qū)域長度不變。

圖1 波紋翅片管換熱器結構

以標準波紋翅片管作對比，參數(shù)如表1 所示，考慮翅片管換熱器的周期性和對稱性，簡化計算模型區(qū)域有助于減少計算時間，延長進口和出口域，減少空氣回流。

表1 標準翅片參數(shù) 單位：mm

現(xiàn)假設（1）空氣做不可壓縮流體處理；（2）不考慮輻射傳熱；（3）忽略空氣側材料接觸熱阻，流體在固體表面無滑移；（4）翅片根部與銅管外壁溫度相等；

計算模型的控制方程由連續(xù)性方程、動量方程和能力守恒方程組成［6］，建立模型后對其進行網格劃分，為使計算更加精確，對空氣與翅片接觸區(qū)域網格進行加密，采用標準k-ε 湍流模型、SIMPLE 算法進行計算。換熱器邊界條件設置：入口條件為速度入口，速度4 m/s，入口溫度為20℃；出口條件設置為outflow；銅管外壁溫度為7 ℃；空氣側與材料接觸面設置為流固耦合邊界；翅片上下設置為周期邊界periodic；其余面設置為對稱邊界，計算域及邊界條件如圖2所示，材料物性如表2所示。

圖2 翅片計算域及邊界條件設置

表2 材料物性參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

此次波紋管翅式換熱器性能評判標準由阻力系數(shù)，換熱因子確定，阻力系數(shù)越大，代表流通阻力和系統(tǒng)機械能耗越大；換熱因子越大，代表換熱性能越好，相關公式如下.

式1～4 中：υm為最小截面流速；de為當量直徑；μ空氣動力粘度，取 η = 1.8 × 10-5kg/(m?k)；h為空氣側換熱系數(shù)；λ 為導熱率；Δp為進出口壓降；翅片流域長度L= 0.064 92 m；Pr為普朗特數(shù)，取0.7。

2 結果與分析

2.1 翅片間距對換熱性能的影響

2.1.1 翅片間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

由圖3可知，隨著翅片間距的增大，阻力系數(shù)逐漸減小，這是因為進口流速相同時，片間距增大會使空氣流通域增大，導致流域內空氣流速梯度減小，空氣流動所受阻礙降低，壓降隨之減小，空氣粘性力減小，從而導致阻力系數(shù)減小。

圖3 翅片間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

2.1.2 翅片間距對換熱因子和換熱量的影響

由圖4可知，翅片間距增大會引起換熱因子降低，這是由于翅片間距增大，相當于減少換熱面積，換熱量減少，換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)也相應減少。減少翅片間距雖然有利于增強換熱器性能，但也會導致阻力系數(shù)增加，增加風機等系統(tǒng)能耗，因此，翅片間距應該根據(jù)系統(tǒng)性能綜合考慮。

圖4 翅片間距對換熱因子和換熱量的影響

2.2 縱向間距對換熱性能的影響

由圖5可知，隨著縱向間距增大，阻力系數(shù)和壓降總體平緩，這是因為流道總體復雜程度并沒有發(fā)生較大改變，流體在流道中的流速數(shù)變化小，因此，對出口后的壓力影響較小。由圖6可知，縱向間距改變不會引起換熱面積改變，計算過程中空氣側的水力直徑不變，對流體雷諾數(shù)影響較小，但換熱因子和換熱量在縱向間距增大情況下有輕微提升，這是因為縱向間距增大變相增加了空氣在換熱器內流動時的換熱域?？偟膩碚f，改變縱向間距以增強換熱器換熱性能效果不大。

圖5 縱向間距對阻力系數(shù)和壓降的影響

圖6 縱向間距對換熱因子和換熱量的影響

2.3 波紋高度對換熱性能的影響

由圖7可以看出，隨著波紋高度的增加，阻力系數(shù)增大，這是因為波紋高度增加，提高了空氣在流域內運動的復雜程度，增大了流體的湍流特性，導致進出口壓降增大，阻力系數(shù)增大。由圖8可以看出，隨著波紋高度增加，換熱量增大。這是因為波紋高度增加變相增大了翅片換熱面積，提升了過程中的換熱量，空氣側雷諾數(shù)增大?？偟膩碚f，增加波紋高度有助于提升換熱器的換熱性能，但同時也要考慮阻力系數(shù)增大帶來的不利影響。

圖7 波紋高度對阻力系數(shù)和壓降的影響

圖8 波紋高度對換熱因子和換熱量的影響

3 結論

利用CFD 計算對空氣側翅片管換熱器換熱過程進行數(shù)值模擬分析，研究不同翅片結構對換熱器性能的影響，結果如下。

翅片間距和波紋高度對翅片管換熱器換熱性能影響較大，翅片間距減小和波紋高度增大都有助于提升換熱效果，但同時也會增大換熱器阻力系數(shù)，增加系統(tǒng)負載。翅片管縱向間距對換熱器流道的復雜程度影響較小，縱向間距的改變不會使換熱器換熱性能有較大改變?？偟膩碚f，對波紋翅片管結構參數(shù)進行設計時，應綜合考慮系統(tǒng)換熱量、阻力系數(shù)等因素，選擇合適的翅片結構提升換熱器性能。