波紋翅片管蒸發器優化設計及性能分析

＊高天真 周俊杰

（鄭州大學化工與能源學院 河南 450001）

波紋翅片管蒸發器優化設計及性能分析

＊高天真 周俊杰

（鄭州大學化工與能源學院 河南 450001）

本文對蒸發器換熱性能數值模擬，并用實驗驗證模擬的正確性。結果顯示，隨著雷諾數的增加干濕工況努塞爾數增加，阻力系數下降。對W，WP，PW，WPW，PWP五種翅片結構形式的換熱性能分析得出WP型翅片換熱效果最好，其總換熱量比W型高7.2%左右。

波紋翅片；數值模擬；析濕工況；實驗

1.前言

汽車工業的發展，使得人們更加追求汽車的舒適性。蒸發器(HVAC)是其空調系統中直接產生冷量的部件，對空調系統的整體性能有著顯著的影響。本文將實驗與數值模擬的方法結合起來，用實驗驗證數值模擬方法的準確性，同時模擬析濕工況下空氣在空調內部流動的換熱特性研究，指導汽車空調的設計開發和改進。

2.翅片管換熱器三維模擬與分析

(1)模型簡化

由于翅片存在周期性與對稱性，選擇六排管W型波紋翅片計算區域，如圖1所示。

圖1 六排管W型翅片計算區域示意圖

(2)控制方程

本文利用三大守恒方程，質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，其通式如下：

(3)網格劃分

本文對翅片進行局部加密處理。如圖2所示為網格劃分示意圖。

圖2 六排管W型翅片網格劃分示意圖

(4)邊界條件

圖3為邊界條件示意圖。進口邊界為VELOCITYINLET，溫度為300K，出口流體邊界為OUTFLOW，模型的上下邊界為PERIODIC，左右邊界為SYMMETRY。流體區域為FLUID，翅片和管為SOLID(管被設置為恒溫)。

圖3 邊界條件

(5)網格考核

獨立性考核結果如圖4。可以看出網格數19萬與21．5萬的阻力系數誤差為0．38%，努塞爾數誤差為2．67%，均在誤差允許范圍內。故選用網格數為19萬。

圖4 努塞爾數與網格數的關系

3.數值模擬結果與分析

(1)數值模擬結果與實驗數據比較

以W型波紋翅片為例。對比數值模擬與實驗結果出口溫度與換熱量值。表1為誤差數據，誤差均在允許范圍內。

表1 實驗與數值模擬誤差對比

(2)干濕工況下雷諾數對換熱效果的影響

以兩排管為例，如圖5為干濕空氣流速3m/s時的溫度分布。

圖5 干濕工況下溫度與壓力分布圖

圖5看出在相同的入口溫度和管壁溫下，濕空氣在換熱過程中溫度均勻，過度明顯。

圖6中看出干濕空氣的努塞爾數均隨雷諾數的增加而增大，流動阻力隨雷諾數的增加而減小。雷諾數相同時干空氣的換熱量高于濕空氣，出口溫度比濕空氣低。受管排數的影響故以下選用六排管計算。

圖6 不同雷諾數下干濕空氣換熱性能

(3)不同翅片結構換熱性能比較

本文分析五種翅片組合形式：W(全波紋)、WP(前波紋后平板組合)、PW(前平板后波紋組合)、WPW(波紋平板波紋組合)、PWP(平板波紋平板組合)。

圖7 W型翅片溫度云圖

圖7 為W型翅片溫度分布。WPW與PWP平板區域溫度均勻，而波紋降溫效果好；出口段波紋溫度出現擾動，而平板更均勻。

圖8中相同泵功隨雷諾數的增加五種翅片組合形式換熱量降低。

圖8 單位泵功隨雷諾數的變化

4.結論

本文利用數值模擬和實驗方法對波紋翅片管換熱器傳熱和流動特性研究，主要結論如下：

(1)數值模擬與實驗結果對比：出口溫度誤差為3．91%，進出口焓差誤差為5．22%，換熱量誤差為5．27%。

(2)隨雷諾數的增加干濕工況努塞爾數均增加，但流動阻力降低。

(3)對比W、WP、PW、WPW、PWP五種結構，PWP形翅片出口溫度高比W形高1．92%。波紋翅片結構的擾流作用實現強化換熱。

高天真（1991～），女，鄭州大學化工與能源學院，研究方向：傳熱傳質，設備設計。

((責任編：李田田)

Optimal Design and Performance Analysis of Wavy Fin Tube Evaporator

Gao Tianzhen, Zhou Junjie

（School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, He’nan, 450001）

This paper has taken numerical simulation of evaporator’s heat exchanging performance and has taken experiments to verify the accuracy of simulation. The results have showed that, along the increase of Reynolds number, the Nusselt number of dry or wet cooling conditions increases and the resistance coefficient decreases. After analyzing the heat exchanging performance of the five kinds of fins structures∶ W, WP, PW, WP W, we have got that, the heat exchanging effect of WP type of fin is the best, and its total heat exchanging content is 7.2% higher than that of W type.

wavy fin；numerical simulation；dehumidifying conditions；experiment

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