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　　题目 换热器开缝翅片的参数影响分析研究

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　　摘要：目前市场上常见的7mm管径开缝翅片（又称桥片），分析其换热的原理，提出物理与数学模型，采用商业软件FLUENT计算其流动及换热特性。重点针对桥片在不同设计参数下的性能进行了数值研究，分析了横向管间距、纵向管间距、片间距和控制圆等对翅片换热能力的影响，还有入口风速对流动与换热特性的影响，*终提出能够取代目前已有的7mm管径的X型桥片的翅片。

　　关键词：换热器，开缝翅片（桥片）

　　引言

　　管翅式换热器广泛地应用于HVAC&R领域，改进翅片的性能，推出更加节能、节材的紧凑式换热器，有重要的意义。Wang等[1，2]对18种不同结构的平直翅片空气侧的流动和换热特性进行研究，分析管排数、管径和翅片间距的影响。

　　间断型翅片是一种被广泛使用的强化表面，通常包括百叶窗翅片和开缝翅片（又称桥片或交错翅片）。间断型翅片的几何结构可以破坏边界层的发展，并且能让流体混合的更加充分，达到强化换热的目的[3,4]。Wang等[5]对开缝型、百叶窗型及平直翅片的实验表。

　　根据场协同原理分析计算，得出换热量随Re数和开缝角度的变化规律。这些研究成果，为分析现存换热器中存在的问题，找出可进行性能强化的途径，为设计出高性能的换热器提供一定的思路。

　　本文研究开缝翅片换热器的各项参数——横向管间距、纵向管间距、片间距、翅片开缝高度等的对桥片单元量的换热性能的影响。计算采用高仿真流体软件FLUENT计算出现已有7mmX型桥片的压降和换热量，并在此基础上研究考察开缝翅片不同参数下的流动与换热特性，*终设计出取代原有翅片的5mm管径的开缝翅片。

　　与物理数学模型

　　2.1物理模型

　　计算基于冷凝器传热模型，在整个传热过程中，制冷剂在管内放出热量通过管壁导热导给翅片，*终通过空气的对流将热量带走。制冷剂在管内的传热非常复杂，涉及过热区、两相区和过冷区。本文主要研究空气侧翅片在不同管径偏移量的传热性能，将管内的热阻固定，即管壁温度取为定值（**类边界条件），其值取为实验中管壁温度的平均值。由于在计算中考虑到翅片中的温度分布，即翅片中的温度通过计算确定，使得此问题属于流固耦合问题。对低速空气的流动，在温差不太大的情况下并引入以下的简化：

　　假定通道中流体流动和热交换为层流稳定流动；

　　忽略重力对流动和换热的影响；

　　空气为不可压缩流体；

　　空气和翅片的物性参数为常数；

　　由于开缝翅片的结构较为复杂，为了表述计算的数学物理模型及区域，先以平片为基础进行说明。由于在垂直于流动的方向上呈周期性布置，在垂直于流动方向方向上呈对称布置，因此可选取一个翅片间距的结构作为代表性的单元来进行研究。研究单元有多种选取方式，通常情况下为了划分网格和计算的方便，多采用所示A、B两种方法，方法A中固体翅片区位于研究单元的上下部，其中间为流体区；在方法B中，固体翅片区位于研究单元的中心，表面上下部均为流体区。结合本文研究的特点，采用了方法A作为数值模拟的物理区域，所形成的计算区域。从模型可以看出，计算区域为一个三层结构，中间为流体区，上下为半个翅片厚度区域，注意到上下表面在缝条处实际为流体区，圆管在高度方向垂直穿过计算区域。 为了使用速度和温度均匀入口边界条件和出口达到充分发展，实际的计算区域分别在翅片前后延伸了一定的距离

　　2.2 控制方程和边界条件

　　基于以上的物理模型，在三维坐标系下，流动与传热的控制方程如下：

　　动量方程:

　　温度方程：

　　物理边界条件简述如下：

　　进口流速、温度给定；出口局部单向化；上、下、前、后面对称；翅片上、下开缝处流体为周期性边界条件；管子给定壁温[10]。

　　控制方程的离散采用有限容积法，压力与速度的耦合问题采用FLUENT软件中的SIMPLE方法进行处理，计算格式采用指数格式。

　　计算结果及分析

　　3.1 管径的影响

　　考察在其它条件相同的情况下，直接改变管径，并根据研究经验减小控制圆通后对流动和换热特性的影响。这里研究了两种管径，7mm(考虑胀管和壁厚为7.38mm)和5mm(考虑胀管和壁厚为5.28mm),对温度和流动速度的影响。对比结果表示在表1中。

　　表1 NO.01和NO.02计算结果

　　NO. 管径

　　d(mm) 横向

　　S2(mm) 纵向

　　1/2S1(mm) 片间距

　　Pf(mm) 压差

　　?p(Pa) 控制圆

　　R(mm) 换热量

　　Q(W) 单位迎风面换热量

　　(W/m2) 片型 01 7.3 13.3 10.5 1.35 45.154 6.0 0. .07 X型桥片 02 5.28 13.3 10.5 1.35 32.2445 4.5 0. .29 单桥高0.76

　　模