凹坑翅片換熱器在單軌列車空調機組的應用

魏秀琴，金 星，路曉鵬

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545416)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，單軌交通與地鐵相比較，具有振動噪聲小、投資省、對環境影響小、曲線半徑小、爬坡能力強等優勢，多在國內重慶、蕪湖等城市應用。單軌列車空調系統是保證乘客乘坐舒適性的一個重要系統，能夠使車廂內保持合適的溫度和濕度，為乘客營造良好、舒適的環境。近年來，城軌列車空調機組消耗功率占列車牽引動力能耗的40%左右[1]，降低空調機組能耗對列車空調系統有著重要的現實意義[2]。列車空調機組通常設置在車頂上，空調機組的體積和質量會受到一定的限制，因此，如何實現空調機組小型化、輕量化也是需要考慮的現實問題。蒸發器和冷凝器是空調機系統的換熱裝置，其換熱性能的好壞將影響到制冷劑與外部熱源的換熱效率，在提高空調能效方面起著非常重要的作用[3]。改進空調換熱器的結構和提高其換熱效率，對空調系統輕量化和節能有著重大意義。

目前單軌車輛空調的冷凝器和蒸發器基本上都采用管翅式換熱器。研究表明，對于管翅式換熱器，空氣側的熱阻約占整個換熱器熱阻的80%左右，因此減小空氣側熱阻，提高空氣側的換熱系數對于改善換熱器整體性能非常重要[4]。為了使換熱器空氣側的換熱性能強化，可以通過改變翅片表面的幾何形狀來實現。主要形狀有百葉窗型翅片、縱向渦翅片、波紋型翅片[5-7]等。近年來，學者們研究提出了一種新型凹坑或球突翅片，在保證不破壞翅片完整性的條件下，在平直翅片表面上沖壓形成凹坑或球突，這些凹坑或球突能使流體流過時對流體產生擾動，產生渦流，使流體的摻混程度增強，達到強化換熱的作用。目前，對于凹坑翅片在列車空調換熱器上的應用研究非常少，所以本文基于半球狀凹坑翅片應用在列車空調機組換熱器上的實際，研究了在翅片表面沖壓凹坑后，分析不同工況下，圓管與凹坑翅片空氣側的流動及換熱影響，為空調換熱器設計及實際應用提供參考。

1 凹坑翅片結構模型

1.1 凹坑翅片描述

圖1為本文物理研究模型。翅片管為四排管，翅片管材料為銅，采用錯排方式布置；翅片為矩形翅片，材料為鋁；在其表面沖壓有凹坑，在每個圓管周圍按照一定規律沖壓有六個半球狀的凹坑。

圖1 圓管凹坑翅片模型示意圖

1.2 凹坑翅片結構參數

如下頁圖2所示，圖2給出了換熱器圓管和凹坑的布置位置。凹坑的主要幾何參數為：翅片長度L1、翅片厚度δf、管間距(橫向S1、縱向S2)，圓管外徑D、圓管厚度δt、翅片厚度δf、翅片間距Tp、凹坑半徑rd、凹坑中心距圓管中心間距Ld、凹坑圓心夾角α。基本結構參數如表1所示。

表1 基本結構參數表(mm)

(a)帶凹坑翅片圓管換熱器翅片單元

(b)凹坑的參數和位置

2 數學模型及邊界條件

2.1 控制方程

計算所采用的計算方程如下[8]：

連續性方程：

?(ρui)/?xi

(1)

動量守恒方程：

?(ρuiuj)/?xi=-?ρ/?xi+?(η?ui/?xi)/?xi

(2)

能量守恒方程：

?(ρcpuiT)/?xi=?(λ?T/?xi)/?xi

(3)

式中：ui——三個方向速度；

p——流體壓力；

T——流體溫度；

cp——流體定壓比熱容；

λ——流體的導熱系數；

ρ——流體密度；

η——流體的動力黏性系數。

2.2 計算模型

由于整個換熱器中圓管和翅片數量較多，如果要對完整的換熱器模型進行計算是非常困難的，因此對模型進行簡化，選取上下兩層翅片和圓管外壁所形成的通道作為數值計算的區域，如圖3所示。為保證在實際應用中入口流體溫度和速度均勻，將計算區域入口上游延長1倍圓管管徑；為保證出口無回流影響，出口向下游延長5倍圓管管徑。

圖3 計算區域示意圖

2.3 計算邊界條件設定

在本計算中，為了簡化計算，假設圓管管壁為等溫邊界條件，設定管壁的溫度Tw=40 ℃，速度為無滑移邊界條件。本計算中，由于翅片的厚度只有0.2 mm，翅片和管外壁的接觸熱阻以及翅片本身的導熱溫差均被忽略，設定翅片溫度恒定為40 ℃，圓管管壁溫度恒定為常數設置為40 ℃。入口邊界給定均勻速度和均勻溫度，空氣進口速度uin為1.5～4 m/s，空氣進口平均溫度Tin為30 ℃，出口邊界設為自由壓力出口。上下面邊界采用對稱性邊界條件，左右面邊界采用對稱性邊界條件。

2.4 網格無關性驗證

在進行數值計算時，若網格數目較少，計算收斂性得不到保障，但是計算數目太多，增加計算機的負荷。因此，在劃分網格時，不但要考慮求解的精度，還要考慮計算機配置的限制，縮短數值計算的時間。為了保證計算結果的準確性和網格的獨立性，對網格獨立性考核。網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分示意圖

當在Re=893、R=1 mm、α=70°、TP=2.4 mm條件下，對3種不同網格下的計算結果進行無關性驗證的數據處理，結果如表2所示。

表2 網格獨立性考核結果表

從表2可以得出，增加網格數，平均努塞爾數變化逐漸減小，網格數為1 120 082時對應的平均努塞爾數與網格數為1 280 082時對應的均努塞爾數相比相差0.02%，阻力系數相差0.07%。當網格數為1 120 082以后，繼續增加網格的數目，平均努塞爾數和阻力系數變化非常小，因此，可認為數值模型在網格數為1 120 082時計算結果具有獨立性。

3 計算結果與分析

3.1 凹坑翅片的換熱特性分析

圖5是在rd=0.9 mm、α=70°、TP=2.45 mm時，兩種翅片模型平均努塞爾數Num和阻力系數f隨雷諾數Re的變化曲線。圖5(a)表明，當Re從893逐漸增加到2 382時，兩種翅片平均努塞爾數Num變化趨勢相同，平均努塞爾數Num都隨著Re的增加而增大，并且平均努塞爾數的增長速率隨著Re的增加逐步平緩。這是由于隨著空氣的流速增加，使空氣流動邊界層厚度變薄，提升了換熱能力，但是這種靠增大流體速度提升換熱的能力是有限的。在雷諾數Re相同的條件下，凹坑翅片的Num明顯高于平直翅片的，在Re=893～2 382范圍內，凹坑翅片的平均努塞爾數Num與平直翅片相比，提升了21.8%～38.7%，凹坑翅片的換熱能力相比平直翅片得到了明顯提升。這是由于凹坑增強了對空氣的擾動作用，流體邊界層厚度被減薄，極大地提高了換熱器的換熱能力。由圖5(b)分析發現，兩種翅片的阻力系數f隨雷諾數Re的變化趨勢基本相同，都是先快速下降后逐漸平緩下降，與平直翅片相比，凹坑翅片的阻力系數提升了20.9%～37%。阻力系數反映了管翅式換熱器翅片的阻力特性，阻力系數越大，耗功越多。產生阻力損失的原因主要有：空氣在流動過程中，由于自身黏度會造成摩擦阻力損失，沖刷翅片和換熱管表面而產生壓差阻力，以及翅片上的凹坑對流體產生擾動，形成縱向和橫向渦流造成阻力損失。

(a)Num

(b)f

3.2 凹坑翅片的綜合性能評價

評價換熱器的綜合換熱性能通常采用綜合性能因子JF[9-10]，JF綜合考慮了流體傳熱和流動阻力兩個方面的性能，其表達式如式(4)所示，其中Nu0和f0為平直翅片的平均努塞爾數和阻力系數。

同功耗強化傳熱評價因子：

JF=(Num/Nu0)/(f/f0)1/3

(4)

圖6所示為JF隨雷諾數Re的變化曲線，在Re為893～2 832范圍內，凹坑翅片的JF的變化范圍為1.14～1.24，JF1的數值均>1，說明相對于平直翅片來說，凹坑翅片可以使換熱器獲得更好的換熱效果。

圖6 JF1隨Re的變化曲線圖

4 結語

本文將凹坑翅片應用于單軌列車空調機組的換熱器上，分析了不同工況下，圓管與凹坑翅片空氣側的流動和傳熱性能，并且對其綜合性能進行評價，主要結論如下：

(1)在雷諾數Re為893～2 832時，采用凹坑翅片換熱性能比平直翅片提升了21.8%～38.7%，阻力系數提升了20.9%～37%。

(2)在雷諾數Re為893～2 832時，綜合性能因子的值均>1，與平直翅片相比，換熱器采用凹坑翅片能有效地強化換熱。