非均匀来流条件下风管机C型翅片换热特性研

李丰1,2罗彬2李兆辉2马志恒1赵日晶1黄东1

1.西安交通大学制冷与低温工程系

2.美的暖通与楼宇事业部研发中心

摘要

Abstract

传统风管机常采用V型换热器，低矮风道内来流风速的非均匀分布导致其换热能力较弱。针对风管机的非均匀来流，基于翅宽分布与风速分布的非均匀匹配，设计了一种非等宽翅片C型换热器，通过仿真和实验对其换热能力进行计算和测试，对比C型和V型翅片的换热特性，分析来流温度、冷凝温度、风量大小和风速分布对换热的影响。结果表明：在非均匀来流下，当翅宽与风速分布的幂次方成正比时理论换热量最大；C型翅片换热面积与风速的匹配度优于V型翅片，不同分区的局部换热量较高，总换热量更大，在较宽的工况范围内换热提升均大于10%。

关键词

Keywords

风管机；非均匀来流；C型翅片；传热

DOI:10./j.cnki.issn-..01.

0引言

目前风管机的市场占有率是空调室内机各品类中最高的，第一代风管机采用斜I型换热器，其体积大、质量重、噪声高；第二代风管机采用V型分段式换热器，有效减少了换热器在风管机内部的占用空间。虽然二代V型换热器的使用减小了箱体尺寸，但在风道内来流风速不均匀时换热能力较弱。部分学者通过仿真或实验对非均匀来流下换热器的性能进行了研究。Datta等[1]使用CoilDesigner软件对来流不均匀的汽车空调冷凝器进行了仿真，采用红外热像仪测量了来流不均引起的制冷剂两相分布。Yin等[2]开发了非均匀来流下翅片管换热器换热性能的分段计算程序。Wu等[3]考虑了风速分布对霜层生长的影响，模拟了非均匀来流下风冷冰箱换热器的结霜性能。Chin等[4]量化了翅片管换热器性能衰减和风速分布之间的关系，给出了相应的关联式。

通常情况下，来流风速分布对换热器的性能会产生较大影响，非均匀来流会降低换热量[5]。Song等[6]通过仿真和实验研究了家用空调蒸发器在非均匀风速分布下的换热性能，发现在风量相同时，非均匀风速下的换热量比均匀风速降低7.78%。李权旭等[7]使用EVAPCOND软件计算了不同风速分布下两排管两流路蒸发器的性能，发现风速呈中、上、下三角分布时蒸发器的换热量比均匀来流时分别降低8.5%、34.3%和35.3%。Gong等[8]实验研究了结霜工况下气流分布不均对空气源热泵性能的影响，发现气流不均是导致中大型翅片管蒸发器热力膨胀阀振荡的主要原因。Mao等[9]采用有限体积法模拟了百叶窗翅片管冷凝器在四种典型二维风速分布下的换热和压降，结果表明气流不均会减少空气侧的传热，进而影响制冷剂的分布，使得管内压降增大，风机功耗增加。

根据换热器种类和工况的不同，来流风速可能呈现不同的分布。Ya?ci等[10]对比分析了6种风速分布，其中抛物线分布最为常见；Zhang等[11]对比了上/中/下三角、抛物线以及指数型风速分布；Blecich等[12]研究了线性、阶梯型、抛物线型风速分布。针对来流风速分布不均，设计者多在制冷剂侧对不同支路的流量进行调节以匹配风速分布，或者通过结构布置削弱来流风速的不均匀度。K?rn等[13]模拟对比了交错式和分离式翅片管蒸发器在流量和气流分布不均时的性能，结果发现，交错式蒸发器能够更好地补偿来流分布不均。Zhang等[14-15]实验测量了迎面风速分布对风冷冷凝器换热性能的影响，并通过改进换热器结构布置和调节风速分布来增大换热量。

风管机中的V型换热器通常工作在抛物线型的来流风速下，已有文献[16-19]多从结构参数的优化入手减轻非均匀风速的影响，但V型换热器本身的结构存在缺陷，有必要针对非均匀来流设计专门的换热器结构。本文基于翅宽分布与风速分布的非均匀匹配，设计了一种非等宽翅片C型换热器，通过计算流体动力学（CFD）仿真和实验验证了其换热性能优于现有的V型换热器，同时分析了来流温度、冷凝温度、风量大小和风速分布对换热的影响，研究结果可为非均匀风场下的换热器设计提供参考。

1风管机C型翅片设计

1.1C型换热器结构设计

风管机的结构如图1所示，离心风机安装在风道内部，其出风速度呈现中间大、两侧小的分布趋势；同时，低矮风道内的边界层发展使得壁面附近的风速与轴线上的风速差异较大，加剧了风速分布的不均匀性。由于安装空间的限制，不易增加辅助结构改善风速的非均匀度，因此需要换热器的结构能够适应非均匀来流。传统斜I型换热器换热面积不足，占用空间较大，但整体式翅片有利于湿工况排水；二代V型换热器结构紧凑，占用空间小，但分段式翅片排水性能差，上下段的钣金连接较复杂。从翅宽分布来看，两者都属于均匀翅宽，是在均匀来流下设计的；当来流风速不均匀时，均匀的翅宽分布导致高风速区没有充足的换热面积，低风速区换热面积多余，未能有效匹配换热面积与风速以使换热量最大化。

图1传统风管机换热器结构[20]

为测量来流风速分布，在换热器入口截面布置多个热线风速仪，得到来流风速如图2所示，进行曲线拟合近似满足二次函数。结合斜I型整体翅片的排水优势和V型翅片的紧凑结构，考虑将V型上下段连接为一个整体，同时增加翅片中部的面积，缩小两侧的面积，使得翅宽分布与风速分布满足非均匀相似，最后采用多段圆弧和直线将翅片轮廓线光滑过渡，形成图3所示的C型翅片。

图2风道来流风速分布

图3C型换热器结构

C型翅片沿流线方向呈现中间宽、两侧窄的翅宽分布，能够与风速的非均匀分布形成良好的匹配。同时对翅片进行风速分区，中部高风速区设置三排管，两侧低风速区设置两排管。C型翅片在制作时需要开发对应的模具，以单个翅片为整体进行冲压，由于模具开发和样品制备费用较高，在设计时需要先进行仿真计算，对C型换热器的换热性能进行评估。

1.2翅宽与风速分布非均匀匹配

考虑图4所示的二维问题，来流风速在y方向上非均匀分布，假设温差ΔT为定值，空气不可压缩且不考虑沿程阻力，即同一流线上空气流速沿程不变。设流线s上的风速为v(s)，同一流线上v(s)沿程不变，流线s经过翅片表面时与微元面dΩ换热，微元面的宽度为ds，长度为L(s)。

图4翅宽与风速分布示意图

由换热量则；又，即，故，其中n取0.4～0.6。因此流线s经过的翅片表面微元面dΩ的换热量满足：

上述推导中：Q为换热量，A为换热面积，h为对流换热系数，Nu为努塞尔数，C为常数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数。对经过翅片表面的所有流线进行积分得单个翅片的换热量满足：

由柯西不等式得：

当且仅当L(s)=k?vn(s)时取等号。在风速分布v(s)一定的情况下，要使总换热量最大，就需要翅宽分布与风速的幂次方成正比，即风速大的区域翅片宽，风速小的区域翅片窄，两者分布满足非均匀相似。

2仿真模型及实验验证

对所设计的C型换热器，在制作样品前需要先进行仿真计算，评估其换热性能相比V型是否提升，并采用实验验证模型的精度。

2.1CFD模型及设置

如图5所示，分别选取C型和V型换热器的最小重复单元进行计算，为减小出口压力边界的影响延长了下游计算域。前后面为周期边界，上下侧为壁面，入口为速度入口，风速分布按图2的拟合曲线设置，出口为压力出口，铜管表面为温度边界。翅片材料为铝合金，流体域设置为干空气。

仿真为三维稳态，在FLUENT中调用流动及传热模块，选用SIMPLEC算法，压力项离散采用二阶迎风格式。取圆管外径估算雷诺数为～，由于距离较窄的平行平板会对湍流起到抑制作用，因此对应的临界雷诺数应大于，故采用层流模型。连续方程和动量方程的误差设为10-6，能量方程误差设为10-9。网格为半结构化网格，网格尺寸0.3mm，网格数万，网格无关性验证表明换热量与万网格时的偏差为0.47%。

图5C型与V型换热器几何模型

2.2模型验证

为验证模型，在相同工况下对C型和V型换热器进行换热性能测试。实验所采用的风管室内机换热器如图6所示，C型换热器片距1.37mm，片厚0.mm，翅片数，单片面积mm2，管径5mm；V型换热器夹角56°，片距1.19mm，片厚0.mm，翅片数，单片面积m2，管径5mm，仿真的几何模型按实物设置。

图6换热器实物图

如图7所示，换热器测试采用空气焓差法，风管机放置于实验风洞内，采用一套制冷系统控制换热器的蒸发/冷凝温度和过热/过冷度，风洞进出口分别放置于焓差室的室内和室外侧。由于翅片间距较小，布置探头对风场影响较大，仅在风洞的进口和出口布置了温湿度传感器。换热器进出口管路布有热电偶，精度为±0.2℃；风量测量采用的压差传感器，精度为±0.25%；换热量的测量误差为±1.0%。

图7换热器测试实验台

实验所测的制冷工况如表1，制热工况如表2，测试结果如表3，C型换热器的换热量高于V型。对比仿真值和实验值发现，制冷工况下仿真值偏小，制热工况下仿真值偏大。由于制冷时换热器表面有冷凝水析出，而仿真忽略了冷凝潜热，因此仿真值偏小；制热时不存在凝水，但换热器出口存在过冷段，而仿真将铜管表面设定为了冷凝温度，因此仿真值偏大。总体而言各工况的计算误差均在15%以内。

表1制冷实测工况

表2制热实测工况

表3换热量测试结果

3C型与V型翅片换热特性对比

CFD仿真可以显示换热器局部的流动和传热情况，分析不同风速区的换热面积与风速的匹配程度，通过改变来流温度、冷凝温度、风量大小及风速分布研究工况参数对换热性能的影响。

3.1流动及传热分析

仿真对比的几何模型需要控制C型和V型的参数一致：管径5mm，管数32，翅片数，片厚0.1mm，间距1.2mm，单翅片表面积0.m2。由于模型忽略了潜热未考虑湿度场，以制热工况分析误差较小，来流温度设为20℃，冷凝温度为60℃，来流风速按图2设置。

图8C型与V型翅片仿真云图

仿真所得速度场和温度场如图8所示，在出口截面处，C型的最大风速为3.5m?s-1，而V型为4.0m?s-1。C型换热器的压降为17.7Pa，V型为12.7Pa，由于V型换热器中间连接处存在空气短路区，来流风速又在中部最大，因此一部分空气没有流经换热器形成有效换热，短路气流使得整体压降较小。C型换热器的每股空气都进行了有效换热，且风速与翅宽分布相匹配，虽然整体压降增大，但换热有显著提升。计算表明，V型的总换热量为W，C型为W，相对提升15.8%。

为分析不同风速区的翅宽与风速的匹配程度，以铜管为单位将翅片划分为16个区域，如图9所示，在大多数分区，C型翅片的局部换热量均高于V型，迎风排的换热明显强于背风排。进一步统计各区域表面传热系数h、换热面积A，以及两者的乘积hA。由于风速主要影响h，翅宽决定A，hA的大小反应了两者的匹配程度，当温差ΔT差异不大时，hA即是换热量的决定因素。

图9各分区局部换热量

图10的横坐标为不同区域的来流平均风速，纵坐标为各区域的hA。对于C型翅片，风速越高的区域hA越大，中高风速区的hA明显高于V型翅片，由此可见C型翅片的风速与换热面积匹配效果更好。而V型翅片虽然随着风速的增大，相应区域的hA也有增大的趋势，但整体低于C型翅片。V型翅片在风速较大的区域hA较大，是因为风速增大使得表面传热系数增大；在风速较小的区域hA也较大，则是因为其分配的面积较大。因此V型翅片的换热面积与风速没有形成良好的匹配关系，无法充分利用高风速区的换热能力，总换热量低于C型翅片。

图10不同来流风速区域的hA

3.2来流温度及冷凝温度的影响

以制热工况为例，取来流温度20℃～40℃，冷凝温度40℃～60℃，对比不同工况下C型与V型翅片的换热量。如图11所示，随着来流温度升高，传热温差减小，换热量下降；C型换热器的换热量一直高于V型，且温差越大，C型的换热优势越明显。如图12所示，随着冷凝温度升高，传热温差增大，换热量升高；同样，C型的换热量一直高于V型，温差越大，优势越明显。由此可见，C型换热器在较宽工况范围内的换热性能更优。

图11不同来流温度下的换热量（冷凝温度50℃）

图12不同冷凝温度下的换热量（来流温度35℃）

表4不同风量下换热量对比

3.3风量大小及风速分布的影响

以制热工况为例，取来流温度35℃，冷凝温度50℃，平均风速1m?s-1～3m?s-1，风量0.08m3?s-1～0.24m3?s-1，计算不同风量下C型和V型的换热量，如表4所示，风量越大，C型的换热优势越大，各风量下换热量均高于V型，平均提升10.7%。

定义来流风速的非均匀度为：

式中：N为取样数；vi为每个取样点的风速；为来流平均风速。

为对比分析，控制风量相同，平均风速为2.5m?s-1，改变风速分布的二次函数表达式，并根据式（4）计算非均匀度。如表5所示，非均匀度越大，来流风速越不均匀，非均匀来流对C型换热器的影响更小，不同分布下的换热量均高于V型，换热平均提升11.2%。由于CFD模型将铜管表面简化为了恒温边界，没有考虑制冷剂侧的流动换热，因此与实际换热器存在偏差，后续的研究需要建立考虑空气与制冷剂换热的耦合模型。

表5不同风速分布下换热量对比

4结论

本文针对风管机中来流风速的非均匀分布，从翅宽与风速分布的非均匀匹配出发，设计了C型换热器，通过仿真和实验验证了其换热性能优于等宽翅片V型换热器。主要结论如下：

（1）理论分析表明，在非均匀来流下，当翅宽分布与风速分布的幂次方成正比时，即风速大的区域翅片宽，风速小的区域翅片窄，两者分布相协同可以使换热量增大。

（2）仿真表明，C型翅片的风速与换热面积匹配更优，大多数分区的局部换热量均高于V型，因此总换热量更大；在冷凝温度60℃，来流20℃时换热量相比V型提升15.8%。

（3）C型换热器在较宽工况范围内均表现出更优的换热性能，当冷凝温度或来流温度变化时，温差越大，C型的换热提升越明显；在不同风量和风速分布下相比V型的换热提升均大于10%。

END

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