空调冷凝器中的流动与传热分析

空调冷凝器中的流动与传热分析

张智1,2金培耕1刘志刚2江从发1韩蔚1

1广东美的集团国家级企业技术中心，顺德，广东，528311

2西安交通大学能源与动力工程学院，西安，陕西，710049

摘要利用Fluent软件分析了发生在空调冷凝器中的空气流动和传热过程，对于物理模型进行了合理的简化处理，充分利用了对称性边界条件和周期性边界条件。对于冷凝器的基本换热单元进行了分析计算，获得了入口风速、风压、翅片间距、翅片厚度等因素对于换热量、传热系数、气流温度、流动阻力等的影响，以曲线的形式给出了详细的计算结果，并给出了有代表性的翅片表面温度分布和换热系数的云图，从中总结并找到强化传热的关键和突破口，为试验研究提供了基础数据和理论指导。

前言

利用CFD软件分析工程实际中的问题已经成为成为研究和开发中必不可少的环节，使用计算机进行模拟分析和优化设计具有时间短、成本低、灵活性好、可操作性强等优点。广东美的集团国家级企业技术中心2001年初引进了Fluent软件，利用它进行了空调中的的流动及传热模拟分析和优化设计等工作，已经取得了明显得经济效益。利用该软件，对于空调用换热器中的空气流动与传热进行了详细的研究，分析了入口风速、风压、翅片间距、翅片厚度等因素对于换热量、传热系数、气流温度、流动阻力等的影响，找到了强化传热的关键点和突破口，并从理论上找到了具有最佳传热效果的换热器形式，为开发低成本高效率换热器提供了坚实的基础和翔实的设计数据。本文由于篇幅限制，仅介绍对于现有的冷凝器冷凝过程的计算模拟分析的结果，和大家分享。

1空调用冷凝器简介

1.1 基本形式

空调中使用的冷凝器为铜管翅片式换热器，制冷剂在铜管中流动，铜管外面通过机械胀管的方法套平行的连续翅片以增加换热面积，根据不同的结构尺寸或换热量的要求，换热器可以是一排或多排，翅片也有平片、波纹片和各种冲缝片等不同的形式。本文中计算的对象为双排弧形百叶窗型冲缝翅片，该种翅片的优点是换热效率高[1,2,3]。翅片如图1-3所示，突中，δ为翅片厚度，fin pitch 为翅片间距，T W为铜管外表面温度，T f为外界流体温度，width为单翅片宽度，tube space为管间距，r0为管外径（翅片翻边厚度计算在内）。

1.1发生在冷凝器中传热过程

制冷工况时，冷凝器向外界气体散热。制冷剂以过热气体状态进入冷凝器，在冷凝器中逐渐降温变为饱和蒸气，然后在流动的过程中，不断向外散热，蒸气逐渐冷凝，含气量降低，含液量上升，最终冷凝为饱和液体，在从饱和蒸气冷凝为饱和液体的过程中，管内制冷剂的温度不变，然后饱和液体逐渐降温，变为过冷液体然后流出冷凝器。传热过程是制冷剂将热量以对流换热的方式传递给铜管内壁，通过铜管的导热，将热量传递到铜管外壁，铜管外壁的热量以导热的方式传递到翅片上，翅片表面和流过的空气进行强制对流换热。通过此过程热量就从制冷剂传递到了外界的空气，实现了散热。

制冷工况时，情况正好相反，冷凝器从外界气体吸热。翅片表面和流过的空气进行强制对流换热，外界气流的热量传递给翅片，翅片通过导热将热量传递到铜管外壁，再通过导热将热量传递到翅片内壁，然后以对流换热的方式将热量传递给制冷剂。制冷剂以气液两相状态进入冷凝器，在冷凝器中逐渐吸热蒸发，含气量上升，含液量下降，最终变为饱和蒸气，在从两相状态蒸发为饱和蒸气的过程中，管内制冷剂的温度不变，然后饱和蒸气逐渐升温，变成过冷蒸气然后流出冷凝器。通过此过程热量就从外界空气传递到了制冷剂，实现了吸热。

2计算区域的划分和参数的设定

由于流动的对称性和周期性，所以在确定周期性边界条件和对称性边界条件后，按照图1、图4中所示的区域进行计算，其中在X-Y平面上a-a和b-b边界为对称性边界条件，Y-Z平面上c-c和d-d

边界为周期性边界条件。由这些边界所包围的区域是冷凝器上最基本的传热单元。

计算按照制冷工况进行，即在冷凝器中发生制冷剂的冷凝过程，冷凝器向外界散热，选取最具有代表性的冷凝工况，冷凝温度为319K，由于冷凝器铜管采用壁厚为0.35mm的内螺纹管，所以忽略铜管壁厚的导热温差，即取铜管外壁温度319K，外界气流温度308K[4]，同时忽略由于温差引起的辐射换热。

计算中的各种参数为：

单翅片宽度： 19mm、20mm、22mm和24mm

翅片间距：1.4mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、2.0mm和2.2mm

翅片厚度：0.105mm和0.115mm

管间距(tube space)：25.4mm

管径(r0)： 10mm

气流入口条件：入口风速0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s和3.0m/s或入口风压22Pa

图1 双排冷凝器翅片形式

图2双排冷凝器翅片横截面图

图3 翅片冲缝形式放大图图4 翅片与铜管连接示意图

3计算分析过程

计算在管外进行，翅片表面温度采用自身导热和表面对流换热的耦合的方式计算，忽略翅片和铜管外壁面取得接触热阻，即翅片根部温度和铜管外壁面温度相同。

前处理：建模和网格划分及边界条件的设定在GAMBIT 模块下完成，网格为四面体网格，网格数32万个。进口：压力和速度入口，出口：自由压力出口，管壁：恒温边界条件，翅片：耦合计算壁面，a-a 和b-b 边界：对称性边界条件，c-c 和d-d 边界：周期性边界条件。

计算在FLUENT 模块下完成，计算紊流模型采用标准 k-ε模型，压力—速度耦合采用SIMPLE 方法。具体的控制方程见参考文献[5]。进行了稳态计算和非稳态计算，收敛判断条件为所有的物理量的误差小于1.0e-6，在主频为800MHz 的PC 机上稳态计算3小时即达到收敛要求。

后处理在FLUENT 模块下进行，计算结果以云图和矢量图以及在选取的面上取积分平均值的方式进行后处理，这样即直观，又方便定量分析。

4 计算结果

4.1 制冷工况(入口风速条件)

0.5

1.0 1.5

2.0 2.5

3.0V [m/s]

10,00012,000Q [W ]

1.2

1.4 1.6 1.8

2.0 2.2

fin pitch [mm]

1,000

2,0003,0004,0005,0006,0007,000

Q [W ]

图5 换热量与风速和翅片厚度的关系

图6换热量与翅片间距的关系

19

20

21

22

23

24

width [mm]

Q [W

]

19

20

21

22

23

24

width [mm]

α [W /m 2.K ]

图7换热量与翅片宽度的关系

图8换热系数与翅片宽度的关系

1.2

1.4 1.6 1.8

2.0 2.2

fin pitch [mm]α [W /m 2.K ]

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

V [m/s]

α [W /m 2.K ]

图9换热系数与翅片间距的关系 图10 换热系数与风速和翅片厚度的关系