翅片管换热器表面霜层生长特性的实验研究

空气源热泵系统节能减排效果显著,但在低温高湿的冬季制热工况下,室外蒸发器表面会发生结霜现象,霜层会直接影响换热性能,进而影响系统运行的可靠性及能效。对翅片管换热器霜层生长特性进行了实验研究,实验中采用红外热成像仪对霜层表面温度进行测量,并用千分尺热电偶直接测量装置进行校核。分析了环境温度、相对湿度及迎面风速对结霜厚度、结霜量、霜层-湿空气界面条件的影响,并将霜层表面温度与环境温度之差作为结霜的传热驱动力,将湿空气中水蒸气分压力与霜表面温度下饱和水蒸气分压力之差作为结霜的传质驱动力,对结霜机理进行了分析,为换热器的防结霜和除霜提供了依据,为优化空气源热泵系统的设计奠定了基础。     

波纹表面结霜的实验研究

结霜工况下,换热器翅片表面结霜会增大换热热阻,堵塞空气流道。在低温高湿条件下对波纹表面的结霜过程进行了实验研究,分析了冷面温度、湿空气流速及波纹结构等因素对波纹表面冷凝水珠冻结和霜层生长的影响。结果表明：冷面温度越低,冻结的冷凝水珠越小,冻结时间也越短;冷面温度越低或湿空气流速越快,霜层生长越快;在相同的实验条件下,波纹表面上霜层的高度比平直表面的低。     

波纹表面结霜的实验研究

结霜工况下,换热器翅片表面结霜会增大换热热阻,堵塞空气流道。在低温高湿条件下对波纹表面的结霜过程进行了实验研究,分析了冷面温度、湿空气流速及波纹结构等因素对波纹表面冷凝水珠冻结和霜层生长的影响。结果表明:冷面温度越低,冻结的冷凝水珠越小,冻结时间也越短;冷面温度越低或湿空气流速越快,霜层生长越快;在相同的实验条件下,波纹表面上霜层的高度比平直表面的低。     

双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟

利用数值耦合传热计算方法研究了四排管双开缝翅片管式换热器的传热特性和阻力特性,获得翅片附近空气的速度场和温度场,分析了开缝对翅片管换热器换热性能的影响。并针对翅片间距和开缝高度对翅片管换热性能的影响进行了数值模拟分析,得到了开缝高度和翅片间距针对换热系数的最佳组合。     

室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响

对不同迎面风速条件下空气源热泵系统室外换热器表面霜层生长特性进行了实验研究,测量了翅片表面动态霜层厚度、换热器结霜量,显微观察了霜晶生长过程。实验结果表明,迎面风速的降低使得空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度加速增长,结霜周期随迎面风速的下降呈近乎线性地减小,而且相对湿度越低,结霜周期下降的速度越快;因此,减小室外换热器迎面风速将恶化空气源热泵机组结霜/除霜周期中的平均性能。对霜晶形态的显微观察发现,低迎面风速工况下霜层厚度增长速度加快的原因是由于空气源热泵蒸发器壁面温度降低造成的霜晶形态的改变,翅片表面柱状冰晶始终在高度方向快速生长,这种现象与低环境温度工况下翅片表面霜晶生长形态类似。换热器总结霜量随迎面风速的减小而下降,造成霜层平均密度降低。     

亚临界压力下空温式气化器传热特性研究

空温式气化器有着不耗能、构造简单、价格低廉等优点，被广泛应用于LNG气化调峰站。在LNG的气化过程中，传统的空温式气化器的翅片管表面会出现结霜，从而使其传热性能下降。模拟了亚临界压力下空温式气化器纵向翅片管的传热特性，得到了翅片管外壁温，管内流体温度，霜层厚度，管内外对流换热系数等参数沿管长的分布规律。     

平直翅片和开缝翅片换热器特性的数值模拟

翅片管式换热器作为制冷和空调装备中的一种重要设备,具有结构紧凑、制造简单、适用范围广等特点,它的运行状况直接关系到整个换热系统性能的优劣。翅片管式换热器空气侧传热性能以及速度场、温度场分布对换热效果的影响一直是国内外学者研究的重点。利用CFD技术对圆管平直翅片和圆管开缝翅片换热器两种形式下外部空气与翅片的换热效果进行了数值模拟。结果表明,圆管开缝翅片换热器的换热效果更好。     

湿工况下平翅片传热传质实验与数值模拟

研究了湿工况下2排错列平翅片管换热器,迎面风速在0.77～3.06 m·s^-1范围内的传热特性：潜热换热量先是随迎面风速的增加而增加,当迎面风速增加到一定值后,潜热换热量受迎面风速的影响很小;与干工况相比,湿工况下空气侧的对流换热系数有所增加。在实验研究的基础上,为降低数值求解的难度,引入了“壁面反应”来模拟水蒸气在冷壁面的相变传热、传质过程,建立了湿工况平翅片管换热器空气侧三维传热、传质的简化模型。得到了湿空气的温度分布及水蒸气组分分布,并用场协同理论就迎面风速对传热、传质的影响进行了分析。将数值计算的结果与实验数据进行了对比,两者吻合很好。     

析湿工况下亲水层对波纹翅片管换热器空气侧特性的影响分析

对附带亲水层和没有附带亲水层的波纹翅片管换热器在析湿工况下的空气侧特性进行了实验研究,分析了亲水层对空气侧换热和压降特性的影响。实验表明,当翅片表面凝结出的水滴较少,不能形成水流时,亲水层能够增强空气侧的换热。而当翅片表面凝结出大量的冷凝水并形成水流流动时,亲水层反而减弱空气侧的换热。亲水层对降低空气侧的压降则有显著作用,降低的最大值可达到44%。开发了带亲水层与不带亲水层波纹翅片管换热器析湿工况下空气侧的换热系数比和压降比关联式,平均误差分别为9.9%和8.2%,在±15%误差范围内分别能涵盖76.6%和82.8%实验数据。     

冷表面结霜生长的数值模型

探讨了冷表面结霜的过程，并综合考虑了冷表面温度、空气湿度、空气温度等因素的影响。通过质量守恒、能量守恒，采用准稳态的方法建立了冷表面的结霜过程数学模型及计算求解方法，研究了在冷表面温度、空气湿度、空气温度一定的情况下，霜层厚度、霜层热阻、霜层密度的变化曲线。提供了一种能够进行霜层生长规律和霜层物性预测的计算方法。     

带亲水层条缝型翅片管换热器析湿工况空气侧换热与压降特性

对带亲水层条缝型翅片管换热器在析湿工况下的空气侧特性进行了实验研究.分析了翅片间距、管排数和入口相对湿度对空气侧换热及压降特性的影响.研究结果表明,当雷诺数较低时,翅片间距对空气侧换热特性的影响很小,当雷诺数大于1600时,空气侧换热特性随着翅片间距的增大而逐渐减小.翅片间距对空气侧压降特性的影响则同干工况相似.管排数对空气侧换热特性的影响非常明显,但对空气侧压降特性的影响则不明显.空气侧的换热性能随着入口空气相对湿度的增大稍微有所增强,而压降特性则几乎不受入口相对湿度的影响.开发了析湿工况下带亲水层条缝型翅片管换热器空气侧换热因子j和摩擦因子f 的关联式.平均误差分别为9.6%和7.8%,在±15%误差范围内分别能涵盖82.1%和89.3%实验数据.     

翅片管换热器内部空气流场的数值模拟与实验研究

空气侧换热是制约翅片管换热器发展的一个主要因素,而风机-换热器单元的内部空气流场分布对空气侧的换热影响显著。本文用数值模拟和实验两种手段对一种"U"型翅片管内部空间的空气流场进行了研究。通过商用软件对该空间进行了三维数值模拟,研究结果给出了整场流速的详细分布。用干冰作为材料,对该空间进行了可视化发烟实验。在不同高度的速度分布上,数值模拟与实验结果吻合较好。结果显示正对风机的速度最大,换热最好。本研究为翅片管的优化提供了数据,为本领域的研究者提供了一个新的思路。     

基于分形理论的翅片管气化器霜层热导率

基于分形理论的DLA模型,数值模拟了翅片管气化器表面霜层生长过程,同时对霜层生长形态进行了实验观测,得到了不同时刻的霜层生长图像。计算了气化器表面霜层剖面孔隙面积分布分形维数与分形孔隙率,模拟图像与实验图像的对比表明两者取得良好的一致,验证了数值模拟的合理性。在此基础上建立了霜层导热的分形模型,采用热阻法给出了霜层热导率表达式。计算结果表明,用该方法确定的霜层热导率与实测得到的霜层有效热导率值域范围是相符的。并通过与其他导热模型的比较,验证了将剖面面积分布分形维数引入导热模型以确定霜层热导率的可行性,从而为霜层热导率的理论研究开辟了一条新路。     

平直开缝翅片和波纹翅片管换热器换热特性的数值模拟

采用FLUENT数值模拟方法,研究了平直翅片、平直开缝翅片、正弦波纹翅片和均匀倾角波纹翅片4种形式的翅片管换热器的空气侧流动和传热特性。分析出2种不同的波纹形式以及翅片开缝对翅片管换热器换热特性的影响。改变进口风速,在不同雷诺数的工况下,得到4种换热器的换热量Q、努塞尔数Nu、压降△P以及阻力因子f等与进口风速u和雷诺数Re的关系。结果表明进口风速增大,雷诺数增加,可显著提高换热器换热量,然而同样带来更多的阻力损失。翅片开缝对传热能力有明显的提升作用,波纹翅片在提高换热效率的同时阻力损失增加较小。     

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距Pf和开缝高度Sh的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明:当Re7200时,增大Pf会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当Re7200时,减小Pf会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着Sh的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,Pf越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在Re=2734~6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。     

螺旋隔板三维翅片管传热实验研究与数值模拟

文章对冷却水在换热器管程流动并与壳程的热油逆流换热条件下,对螺旋隔板三维翅片管换热器的传热与压降性能进行了实验研究,并与光滑管进行了对比。在相同壳程Reynolds数下,三维翅片管的壳程Nusselt数是光滑管的2.2—2.9倍,而压降是光滑管的2.3倍左右。采用计算流体力学软件F luent 6.0对螺旋隔板三维翅片管和光滑管换热器进行了数值模拟。结果表明,螺旋流条件下光滑管表面速度矢量均匀、稳定,而三维翅片表面的速度矢量因翅片激发流体而产生湍动和不规则的二次流,从而强化了流体的对流传热。对于螺旋隔板三维翅片管换热器,壳程Nusselt数和压降的数值模拟结果与实验计算值吻合良好,最大偏差分别为6.3%和9.8%。     

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距P_f和开缝高度S_h的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明：当R_e<7200时,增大P_f会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当R_e>7200时,减小P_f会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着S_h的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,P_f越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在R_e=2734~6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。     

结霜下空温式深冷翅片管传热特性

翅片管的传热特性决定着液化天然气(LNG)空温式气化器的气化性能，且管外表面结霜对传热特性的影响不可忽略。以空温式深冷翅片管为研究对象，建立翅片管空气侧传热模型，引入霜层物性参数经验公式，探究霜阻随风温与气化时间的变化规律，采用流体体积函数(VOF)多相流模型捕捉翅片管内气液两相区的流型，模拟分析结霜结露工况下翅片管内流动沸腾传热过程，研究单根翅片管管内外流固耦合传热机理。结果表明：强制通风下，当送风温度为273 K时，翅片管持续气化运行15 000 s,霜层厚度为10.8 mm,天然气出口温度为267.2 K;提高送风温度，有利于翅片管持续稳定运行；管内气相区长度随着送风温度的降低而降低，其占总管长的比例从303 K时的75%降低到了273 K时的35%;随着LNG入口流速的增大，管内流体传热系数提高且提前达到峰值，但达到0.8 m/s时管内出现传热恶化，导致液态天然气气化不完全，需选取合理的入口流速值。     

地源热泵U型光管与翅片管换热性能对比研究

分别建立实际工程尺寸的U型光管和内部加纵向翅片的U型管模型,采用FLUENT软件对这2种换热器的换热性能进行数值模拟,研究了工质进口流速、进口温度、钻井深度和回填材料导热系数对这2种换热器换热性能的影响。结果表明:增大流速和减小钻井深度对U型翅片管换热器换热性能的改善较U型光管换热器显著,而进口温度和回填材料导热系数的增大对2种类型换热器单位井深换热量的影响基本相当;增加翅片长度和宽度可有效改善换热情况。文中计算结果可为强化埋管换热器的换热提供依据。     

竖直超疏水翅片间霜层动态生长特性

搭建了竖直翅片间霜层生长可视化实验平台,分别制备了铝基亲水、超亲水和超疏水平板换热器,研究了翅片间距、表面润湿性能和环境温湿度等对竖直翅片间霜层生长动态特性的影响。实验结果表明,翅片间霜层的生长过程以临界间距（约1 mm）为界可分为线性快速增长阶段和缓慢增长阶段;相同工况下,亲水表面、超亲水表面和超疏水表面翅片间结霜持续时间分别为177、387和482 min。亲水表面霜层的增长速度分别为超亲水表面和超疏水表面的2倍和3倍。较低的表面温度和较高的环境湿度由于相变过饱和度的增加而提升了霜层增长速度;此外,翅片间霜层积聚过程中霜层密度随时间变化先增长,之后霜层密度增速放缓甚至不再增长直至结霜过程结束。