一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法与流程

本发明属于换热器传热优化技术领域，特别涉及一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法。

背景技术：

换热器作为工业生产的重要部件，被广泛的应用于生产生活中的各个领域。近年来，随着社会的发展、科技的进步，生产生活对换热器高效性、紧促性和可靠性的要求越来越高，不断有新型强化换热技术和换热器优化设计方法在换热器上得以应用。在新型高效换热器的开发中，传统的技术手段主要是采取翅片优化和管路设计等方法。然而，大部分的研究工作忽略了换热器设计工作中，迎面风速分布非均匀性对性能的影响，导致了研究成果与换热器实际效果相差很大。目前，对于管翅式换热器迎面风速非均匀性的研究很少，没有得出普适性的规律，对换热器的设计工作指导意义不大。

换热器实际工作中，空气在风机的作用下通过换热器，迎面风速往往是非均匀的，特别是风机与换热器的迎风面相互垂直时，迎面风速不均匀性显得异常明显。一方面，迎面风速非均匀性会导致换热器空气侧热流的不均匀，降低翅片的效率；另一方面，迎面风速非均匀性将造成管内制冷剂流量与管外空气流速的不匹配，大大降低了换热器的整体的换热性能。目前，对于迎面风速非均匀性对换热器性能的研究，还存在着一些不足：第一，缺乏对迎面风速非均匀程度的定性描述，仅考虑固定形式的非均匀分布对换热器性能的影响，缺乏非均匀程度对性能影响的规律性研究；第二，相关计算模型都是基于速度一维非均匀分布，缺乏多维速度的描述和处理方法；第三，相关研究都是基于复杂的建模计算或实验研究，工作量大，不能高效地对非均匀迎面风速分布对换热器性能的影响进行评估。在此背景下，人们迫切的希望，能够从理论推导的角度，证明迎面风速对换热器空气侧换热性能的影响，并给出迎面风速非均匀性对管翅式换热器性能影响的评价方法。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法，能够直观地反映换热器空气侧风速分布方式对换热器性能的影响，通过定量计算，对传统换热器优化设计方法进行修正，一方面为换热器空气侧的优化设计提供指导；另一方面，为换热器制冷剂侧的优化提供参考。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

通过将管翅式换热器等效于多股流换热器，并结合理论推导，得出了管翅式换热器在非均匀风速下，换热系数损失因子、换热量损失因子和热阻增加倍率随速度偏差因子的定量关系式。最后，将这种关系式图像化处理，得到管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图，实现了仅仅根据单个翅片在不同工况下的性能，就能够准确地对整个换热器在不均匀风速下的换热性能进行评估；实现了通过计算非均匀风速下换热器的性能，从而能够得到均匀性风速下换热器的相关性能参数。

具体地，本发明一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法，包括：

1)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系；

(1)迎面风速线性分布对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系，表达式为：

σ为换热系数损失因子，δh为迎面风速不均匀性导致的换热器换热系数的变化，

其中，huniform和hnonuniform分布是均匀风速和非均匀风速下换热器的换热系数；m为nu为关联式nu＝cre^m中的系数；n为换热通道个数；k为常数；

ω为定义的无量纲参数速度偏差因子，umax,umin和ua分别表示所研究迎风面下对应风速的最大值、最小值和平均值；δu＝(umax-umin)/n，ua＝(umax+umin)/2，n＝2t+1，

(2)迎面风速任意分布对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系，表达式为：

其中，σj,ωj和huniform-j分别为第j个换热单元(可以认为线性分布)的换热系数损失因子，速度偏差因子，均匀风速对应下的换热系数；

εh-j为换热系数离散因子：

2)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器换热量的定量关系，表达式为：

其中，η为换热量损失因子，

εq-j为换热量偏差因子，

quniform-j和δtuniform-j分别为第j个单元在风速均匀分布条件下的换热量和对数平均温差；quniform-cell和δtuniform-cell分别为换热器等分后，每个单元体对应的均匀风速下换热量和对数平均温差；

3)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器热阻的定量关系，表达式为：

其中，ψ为热阻增加倍率；runiform和rnonuniform分别为均匀风速和非均匀风速对应的换热器空气侧热阻；tin和tuniform分别为换热器空气侧进口温度和平均风速条件下换热器空气侧进出口算术平均温度；

4)将所得迎面风速非均匀对管翅式换热器的性能即空气侧平均换热系数、换热量和热阻的影响计算关系式，在平面直角坐标系中反映；结果显示，在一定的速度偏差范围内，非均匀迎面风速对换热器的性能影响非常小；随着速度偏差的增大，非均匀迎面风速对换热器换热性能快速下降；当速度偏差达到一定程度时，换热器的换热性能呈指数规律下降；

5)根据步骤4)的结论，将坐标系进行划分成三个区域，分别称之为性能稳定区域，性能衰减区域和性能严重衰减区域，从而形成管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图，根据该图，对管翅式换热器不同迎面风速分布对性能的影响进行评价。

所述平面直角坐标系的横坐标为速度变差因子ω，纵坐标分别为换热系数损失因子σ，换热量损失因子η和热阻增加倍率ψ。

在速度偏差在20％～30％以内时，迎面风速非均匀性对换热器性能影响很小；随着速度变差的增大，迎面风速非均匀性对换热器性能影响明显；随着速度变差的进一步增大，换热器性能呈指数衰减。

本发明仅仅根据单个翅片在不同工况下的性能，就能够准确地对整个换热器在不均匀风速下的换热性能进行评估，实现了通过计算非均匀风速下换热器的性能，从而能够得到均匀性风速下换热器的相关性能参数。

本发明能够检验迎面风速分布的合理性，为换热器风速及内部部件布置提供一定的指导意见，为换热器形状的优化提供参考。

与现有非均匀迎面风速下换热器性能的研究工作相比，本发明具有以下优点：

管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图，填补了多维速度不均匀分布的描述和处理方法的空白，适用于迎风面速度任意分布形式的换热器研究；无需复杂的建模计算或实验研究，在已知迎风面速度分布的情况下，结合迎风面均匀分布情况下换热器的性能，就能得到非均匀迎面风速下，换热器的性能的相关参数；管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图，简洁明了，使用方便，对换热器的设计和优化指导意义重大。

附图说明

图1为本发明的研究对象管翅式换热器的简化模型示意图。

图2为本发明的管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图。

图3为本发明应用案例中的速度分布形式示意图。

图4为本发明应用案例中分均匀速度分布对性能的影响对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法，可用于管翅式换热器非均匀迎面风速下的优化设计。首先针对管翅式换热器实际工作状态下空气侧进风不均匀的问题，简化物理模型，如图1所示，建立非均匀迎面风速下管翅式换热器的数学分析方法。在此基础上，理论分析多管路翅片管换热器在迎面风速多维非均匀性分布条件下换热性能的影响，分别得出了空气侧速度偏差因子对换热器的平均换热系数、换热量以及热阻影响规律，从而得到了非均匀迎面风速分布与管翅式换热器性能的定量关系。最后，根据理论分析的结果，在平面直角坐标系中绘制出了空气侧速度偏差因子对换热器的平均换热系数、换热量以及热阻关系曲线，并根据曲线的变化规律，将坐标系进行了分区，得到了管翅式换热器非均匀迎面风速条件下的性能评估图，如图2所示。

本发明的具体过程如下：

1)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系；

(1)迎面风速线性分布对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系；

换热器空气侧努赛尔数nu与雷诺数re的关系可以表示：

nu＝cre^m

其中

nu＝hd/λ

re＝ud/ν

换热系数h与流速u的关系可以表示为

h(u)＝ku^m

非均匀迎面风速对换热性能影响的基本关联式为

h(ua+δu)+h(ua-δu)-2h(ua)＝h”(ua)δu²＝m(m-1)ku^m-²δu²

迎面风速不均匀性导致的换热器换热系数的的变化为

换热系数损失因子σ表示为

其中

δu＝(umax-umin)/n

ua＝(umax+umin)/2

n＝2t+1

(2)迎面风速任意分布对管翅式换热器空气侧平均换热系数的定量关系；

当迎面风速任意分布时，可以将整个迎风面划分成若干个小块，认为若干个小块内，风速变化是线性的，从而得到的整体的换热系数损失因子σ表示为

其中，

2)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器换热量的定量关系；

换热量损失因子η表示为

其中

3)确定迎面风速非均匀性对管翅式换热器热阻的定量关系；

导热控制方程表示为

将控制方程两边同乘温度t，可得

结合高斯散度定律有

导热的火积耗散可以表示为

对流换热控制方程表示为

将控制方程两边同乘温度t，可得

在整个对流区域进行积分，可得

结合高斯散度定律，可得对流部分的火积耗散为

总耗散火积可以表示为

根据广义热阻的定义，多股流换热器热阻可以表示为

其中

ti＝(tin-i+tout-i)/2

非均匀热阻增加因子ψ定义为

最后，将理论推导得到的迎面风速非均匀对换热器性能的影响计算关系式，在平面直角坐标系中反映。结果显示，在一定的速度偏差范围内，非均匀迎面风速对换热器的性能影响非常小；随着速度偏差的增大，非均匀迎面风速对换热器换热性能快速下降；当速度偏差达到一定程度时，换热器的换热性能呈指数规律下降。根据这一结论，将坐标系进行划分成三个区域，从而形成管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价图，根据该图，即可对换热器不同迎面风速分布对性能的影响进行评估。

以下是一个具体实施例。

一种50kw空气源热泵冷(热)水机组的多回路多排管v形换热器在非均匀迎面风速条件下性能评估。

通过数值模拟，得到了50kw空气源热泵冷(热)水机组的多回路多排管v形换热器在非均匀迎面风速下的性能：在空气侧平均风速为2m/s,速度分布呈现线性分布(如附图3)，速度偏差分别为0.25,0.5和0.75时，相比均匀迎面风速条件下，换热量分别下降了0.267％，3.2％和11.33％。

利用本发明对案例进行评估，具体实施步骤如下：

(1)根据空气侧翅片nu数的关联式以及翅片的结构参数，推导出对应工况下，不同迎面风速下翅片的出口温度；

(2)结合换热器尺寸参数，计算出平均风速为2m/s时不同速度偏差对应的速度分布；

(3)根据每组速度分布的情况，对换热器进行合理的分块；

(4)根据迎面风速非均匀分布下管翅式换热器空气侧换热量损失的定量计算关系式，结合步骤(1)、(2)、(3)，计算出不同速度偏差换热量的损失比例。

(5)根据步骤(4)计算的数据，绘制成图。

(6)将数值模拟计算的结果，在步骤(5)绘制的图中描点，进行比较。

对比结果显示：采用本发明计算出来的换热量损失因子，在速度偏差分别为0.25,0.5和0.75时，与数值模拟结果相比，误差分别是2.0％，3.1％和53.7％。考虑到速度偏差过大时，非均匀风速分布对制冷剂侧换热影响占据主导地位，可以认为本发明提出的评价方法具有较高的可信度。