空氣循環制冷系統中板翅式換熱器性能的數值模擬

凌睿++郭憲民++張中芳

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關鍵詞：空氣制冷循環；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環制冷系統長期以來主要應用于飛機空調系統。隨著空氣制冷理論的發展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發展，空氣循環制冷系統的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區空氣循環制冷系統性能系數與復疊式壓縮制冷循環相當。隨著CFC及HCFC類工質的禁用，空氣制冷系統再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環制冷系統的關鍵部件之一，對其性能進行深入的研究對提高空氣循環制冷系統的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據當時已有的文獻為理論基礎，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關聯式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結構對傳熱性能的影響進行了研究，建立了機油換熱器的數學模型，得到了機油換熱器優化設計的結果。建立板翅式換熱器的數學模型，并對其進行理論研究，深入地了解換熱器內部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進行相當可靠的預測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進行了數值計算和實驗研究。數值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進行了數值模擬，得到在某一臨界雷諾數時，流體流動出現波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數值模擬的方法對上游翅片的尾渦產生進行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進行了比較并發現，鋸齒形翅片組產生尾渦的臨界雷諾數相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環制冷系統中板翅式換熱器的換熱性能進行了數值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結構具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環境空氣側）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側）。截取出來的計算區域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結構示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區域內的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當換熱器熱邊進口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結論

應用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當換熱器熱邊進口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結構對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關鍵詞：空氣制冷循環；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環制冷系統長期以來主要應用于飛機空調系統。隨著空氣制冷理論的發展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發展，空氣循環制冷系統的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區空氣循環制冷系統性能系數與復疊式壓縮制冷循環相當。隨著CFC及HCFC類工質的禁用，空氣制冷系統再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環制冷系統的關鍵部件之一，對其性能進行深入的研究對提高空氣循環制冷系統的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據當時已有的文獻為理論基礎，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關聯式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結構對傳熱性能的影響進行了研究，建立了機油換熱器的數學模型，得到了機油換熱器優化設計的結果。建立板翅式換熱器的數學模型，并對其進行理論研究，深入地了解換熱器內部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進行相當可靠的預測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進行了數值計算和實驗研究。數值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進行了數值模擬，得到在某一臨界雷諾數時，流體流動出現波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數值模擬的方法對上游翅片的尾渦產生進行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進行了比較并發現，鋸齒形翅片組產生尾渦的臨界雷諾數相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環制冷系統中板翅式換熱器的換熱性能進行了數值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結構具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環境空氣側）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側）。截取出來的計算區域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結構示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區域內的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當換熱器熱邊進口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結論

應用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當換熱器熱邊進口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結構對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint

摘要：運用CFD軟件對鋸齒形板翅式換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同工況條件對換熱器性能的影響。模擬結果表明：用CFD軟件計算出的換熱器內冷熱流體速度、溫度和壓力場變化趨勢是合理的，換熱器效率模擬值隨其冷邊空氣流量的增加而增大；空氣在熱流體域中有一定的壓力損失，而冷流體域中的壓力幾乎不變。

關鍵詞：空氣制冷循環；板翅式換熱器；換熱效率

中圖分類號：TB657.5

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2014）06031503

1 引言

空氣循環制冷系統長期以來主要應用于飛機空調系統。隨著空氣制冷理論的發展，以及透平膨脹機、高效緊湊式熱交換器和空氣軸承的發展，空氣循環制冷系統的性能有了顯著提高。在-80～-50℃溫區空氣循環制冷系統性能系數與復疊式壓縮制冷循環相當。隨著CFC及HCFC類工質的禁用，空氣制冷系統再次成為研究的熱點。板翅式換熱器是空氣循環制冷系統的關鍵部件之一，對其性能進行深入的研究對提高空氣循環制冷系統的性能具有重要意義。

對鋸齒形板翅式換熱器的研究早期以Wieting[1]為代表。根據當時已有的文獻為理論基礎，Wieting通過實驗提出了傳熱因子和摩擦因子的兩種關聯式。甘建德[2]對板翅式機油換熱器的結構對傳熱性能的影響進行了研究，建立了機油換熱器的數學模型，得到了機油換熱器優化設計的結果。建立板翅式換熱器的數學模型，并對其進行理論研究，深入地了解換熱器內部的傳熱機理，可以更加深刻地知道板翅式換熱器內部的流體的運動狀況。對板翅式換熱器采用數值模擬的方法可以對板翅式換熱器在各種工況下的運行情況進行相當可靠的預測，還能為換熱器的實驗研究提供理論性的指導。鋸齒形翅片是緊湊式換熱器中最常見的翅片形式之一。在流體流動的過程中，流體熱邊界層在上一翅片段還沒有得到充分的發展時就被下一錯位的翅片所破壞，從而增強了換熱。Joshi H. M.和 Webb R. L. [3]對鋸齒形翅片進行了數值計算和實驗研究。數值計算得出的Nu和摩擦因子與實驗值有20%的誤差。Amon和Mikic[4]對鋸齒形翅片的流動和傳熱特性進行了數值模擬，得到在某一臨界雷諾數時，流體流動出現波動，并且傳熱性能增大的幅度相對于壓力損失來說更明顯。Balachandar和Parker[5]采用數值模擬的方法對上游翅片的尾渦產生進行了分析，對單個翅片和鋸齒形翅片組進行了比較并發現，鋸齒形翅片組產生尾渦的臨界雷諾數相對要小。

本文運用CFD軟件，對空氣循環制冷系統中板翅式換熱器的換熱性能進行了數值模擬，分析了不同工況條件對其換熱效率的影響。

2 數值模擬計算

2.1 物理模型的建立

鋸齒形板翅式換熱器模型示意圖如圖1所示，它是由換熱器冷通道和熱通道疊加釬焊而成。

換熱器在實際應用中外面會做保溫，整個外殼是絕熱的。但在模擬過程中，為了簡化物理模型，忽略最外層絕熱的影響，把換熱器的換熱看成是周期性的換熱過程。綜合考慮換熱器的整體結構具有周期性，考慮到流動和換熱的周期性問題，也為了提高計算速度和網格密度，利用SolidWorks建立的本文計算對象為圖1中虛線包圍的區域，即選取了換熱器的一個冷通道（即環境空氣側）和兩個半個熱通道（即壓縮空氣側）。截取出來的計算區域如圖1所示。本章板翅式換熱器芯體結構示意圖如圖1 所示，其中冷邊和熱邊均為鋸齒形翅片，芯體的流動方式為交錯流式。環境空氣（冷邊空氣）從板翅式換熱器的中間通道流過，將熱量通過換熱過程（對流和導熱）傳給翅片及與其釬焊成一體的隔板。壓縮空氣（熱邊空氣）從板翅式換熱器上下兩個半個通道流過，通過與翅片及與其釬焊成一體的隔板換熱將熱空氣傳來的熱量帶走。

從圖4可以看到整個熱流體域計算區域內的相對壓力變化情況：熱流體域主體換熱區域以及集氣部分的相對壓力變化不大，在熱流體域進出口處的相對壓力有一定的變比，大概有25Pa左右的壓降。這說明空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

2.4 換熱器效率模擬值

當換熱器熱邊進口流量為360kg/h，改變換熱器冷邊流量對換熱器進行了模擬，得到換熱器效率隨著換熱器冷邊空氣流量的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱器效率是增大的。當冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/時，換熱器的效率也從51%增加到78%。

3 結論

應用CFD軟件，對鋸齒形板翅式換熱器在變工況下的換熱器內部流動與換熱特性進行了數值模擬，分析了不同的工況條件對換熱器性能的影響，結論如下。

（1）隨著換熱器冷邊空氣流量的增大，換熱效果增強，沿流動方向溫度值在不斷降低，且在接近翅片附近熱空氣的溫度值越低。換熱器熱流體域的溫度變化越大，換熱器熱邊出口溫度越低，換熱效率增大。

（2）空氣在熱流體域中有一定的壓力損失。與之相較，冷流體域中的壓力幾乎不變。

（3）當換熱器熱邊進口流量為360kg/h時，隨著冷邊空氣流量從985kg/h增加到2780kg/，換熱器的效率也從51%增加到78%。

參考文獻：

[1] A. R.Wieting， Empirical Correlations for Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Rectangular Offset-Fin Plate-Fin Heat Exchangers. Journal of Heat transfer， 1975， 97： 488～490.

[2] 甘建德.板翅式機油冷卻器結構對傳熱性能的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[3] H. M.Joshi， R. L.Webb. Heat transfer and friction in the offset strip fin heat exchanger [J]. International Journal of heat and mass transfer， 1987， 30： 69～84.

[4] C. H .Amon， B. B.Mikic. Spectral Element simulations of Forced Convective Heat Transfer： Application to Supercritical Slotted Channel Flows [J]. ASME HTD，1989， 110：175～183.

[5] S. Balaehandar， S. J.Parker， Onset of Vortex Shedding in an Inline and Staggered Array of Rectangular Cylinders[J]. Physics of Fluids， 2002， 14（10）， PP. 3714～3732.endprint