V形翅片管式换热器的数值模拟研究

通过模拟及对比分析，较准确的计算出了 V 形翅片管式换热器空气侧风速的不均 匀分布情况。本文研究内容可以为翅片管式换热器的优化设计提供一种可行的新方法， 对后续的实验研究及结构优化有一定的指导意义。
关键词：V 形翅片管换热器 气流分布 不均匀性分布
IHale Waihona Puke Baidu
华中科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
Fin-and-tube heat exchanger has been widely used in the field of HVAC&R and the chemical industry, because it can largely expand the heat transfer surface for the tube heat exchanger. Recently, with the improvement request of energy efficiency, it is important to optimize the heat exchanger performance for the air-conditioning manufacturers.
在得到的气流分布情况的基础上，进一步分析气流不均匀分布对 V 形翅片管式换 热器换热性能的影响。结合翅片管式换热器设计计算软件 CoilDesigner 软件，计算出换 热器换热情况及制冷剂的出口状态，结果显示换热器上中下三个环路制冷剂出口的过 热度分别为 9.3℃、7.3℃和 5.2℃，与实验测试值相差最大只有 0.7℃，而且换热量的误 差在 0.5%以内，验证了计算结果的正确性。为后续合理安排管路布置，保证各个管路 出口制冷剂状态能满足压缩机进口的要求提供了依据。
本文首先对空气经过开缝翅片的流动与换热情况进行了数值模拟，然后针对一款 美式风管机中使用的 V 形翅片管式换热器，利用基于计算流体力学 CFD 原理的 Fluent 软件中的多孔介质模型，模拟计算了美式风管机中使用的 V 形翅片管式换热器中空气 流动的不均匀分布情况。数值计算分析结果显示，在一定的进风量情况下，换热器迎 风面的风速 70%的区域流速集中在 0.5-2.0m/s，有一些区域的流速高达 4.2m/s，风速 分布差别比较明显，并且模型计算出来的压差为 26.2Pa，与实验实测值的 24.0Pa 相差 只有 9.1%，表明该模型能够较准确的计算出 V 形翅片管式换热器空气侧风速的不均匀 分布情况。
II
华中科技大学硕士学位论文
目录
摘 要 ...............................................................................................................I Abstract .......................................................................................................... II 1 绪论 1.1 研究背景与意义 .................................................................................. (1) 1.2 翅片管式换热器在制冷空调领域中的应用 ...................................... (1) 1.3 翅片管式换热器在国内外的研究现状 .............................................. (5) 1.4 本文研究的主要内容 .......................................................................... (9) 2 Fluent 中多孔介质模型理论研究 2.1 引言 .................................................................................................... (11) 2.2 多孔介质模型结构参数设置 ............................................................ (11) 2.3 多孔介质模型的流动控制方程 ........................................................ (14) 2.4 本章小结 ............................................................................................ (17) 3 开缝翅片流动与换热特性的数值模拟 3.1 本章引言 ............................................................................................ (18) 3.2 数值模拟方法 .................................................................................... (18) 3.3 模拟结果分析 .................................................................................... (21) 3.4 本章小结 ............................................................................................ (29) 4 换热器内流场数值模拟结果与分析 4.1 本章引言 ............................................................................................ (31) 4.2 研究对象和模型网格划分 ................................................................ (31) 4.3 建立计算模型 .................................................................................... (35) 4.4 数值模拟结果与实验结果对比 ........................................................ (39) 4.5 本章小结 ............................................................................................ (43) 5 不均匀气流分布对换热器换热的影响
According to the simulation and analysis, we can accurately get the air flow distribution situation, and study the effect of the air flow maldistribution on the V-shaped fin and tube heat exchanger. The research provides a new applicable method to design and optimize the fin-and-tube heat exchangers. The research has some profound guiding significance for experimental research and structural optimization of the fin-and-tube heat exchanger in the future. Key words: V-shaped fin-and-tube heat exchanger Airflow Maldistribution
Furthermore we can use the air distribution result to analysis the effect of maldistribution on the performance of the V-shaped fin tube heat exchanger. With the heat exchanger design software CoilDesigner, we can obtain the heat transfer performance and the state of the refrigerant at the outlet. It shows that the superheat degree of the upper、 middle and bottom circuitry is 9.3℃、7.3℃ and 5.2℃,just has a difference of 0.7℃ compared to the experimental data, and the heat transfer rate error is in 0.5 percent. According to the result above, we can arrange the tube layout to ensure the state of refrigerant at the outlet can meet the compressor’s need.
分类号 学校代码
10487
学号 M201270996 密级
硕士学位论文
V 形翅片管式换热器的数值模拟研究
学位申请人 ： 吕如兵 学 科 专 业 ： 制冷及低温工程 指 导 教 师 ： 李嘉 副教授 答 辩 日 期 ： 2015 年 5 月 23 日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the Master of Engineering
保密□， 在 本论文属于
不保密□。
年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名： 日期：
年月日
华中科技大学硕士学位论文
摘要
翅片管式换热器极大地提高了管式换热器的换热系数，因此广泛的应用于暖通空 调和化工等领域。随着近年来对能源消耗要求的提高，制冷用翅片管式换热器性能的 提升也成为空调制造企业面临的一个重大课题。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
Numerical simulation and analysis of V-shaped heat exchanger
Candidate : Lv RuBing Major : Refrigeration and Cryogenics Engineering Supervisor : Assoc.Prof.LiJia
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China May, 2015
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
This article analysis the flow and heat transfer situation of the air pass by the slit fin. Then use the porous media model of the Fluent software, which is based on the Computational Fluid Dynamics (CFD) theory, to simulate the air distribution in the V-shaped heat exchanger, because the air flow is maldistribution and is not perpendicular to the heat exchanger surface. According to the simulation result, in the situation of certain mass flow rate, the air flow velocity is 0.5-2.0m/s in the 70 percent of the total heat exchange surface and the maximum speed is up to 4.2m/s, the simulation pressure difference is 26.2Pa, it has an error of just 9.1 percent compared to the experimental result 24.0Pa. It shows that this model can accurately simulate the airside distribution.