CN103759566A

CN103759566A - 一种变频co2热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法

Info

Publication number: CN103759566A
Application number: CN201310749785.8A
Authority: CN
Inventors: 刘学鹏; 黄智�; 凌黎明
Original assignee: Zhongshan Polytechnic
Current assignee: Zhongshan Polytechnic
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法，旨在解决变频CO₂热泵热水器的设计如何达到最佳性能的问题。其换热器翅片形状为波纹形，其中心管为椭圆形且短轴与长轴之比为0.6–0.8，所述翅片的间距为（0.1-0.25）mm,翅片厚度为（0.2-0.3）mm。本发明所选择的中心管和翅片的相关参数得当，能够取得最佳的热水器强化换热性能，能广泛应用于换热器的设计领域。

Description

一种变频CO2热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法

【技术领域】

本发明涉及一种换热器的设计方法，特别涉及一种变频CO₂热泵热水器换热器。

【背景技术】

变频CO₂热泵热水器强化换热性能的途径主要分为两种：（1）改变翅片形状来达到强化换热的目的，常见的有波纹翅片、开缝翅片、百叶窗翅片等；（2）改变管的形状来达到强化换热的目的，常用的有椭圆管、多通道扁管、波节管等。相对于平直翅片，波纹翅片可以很好的强化换热，但是同时也极大的增加了阻力损失。椭圆管比圆管具有更好的流动换热特性，椭圆管的换热性能比之圆管强化了约13%。近年来，随着对低能耗换热器需求的增加，椭圆管在工业换热器中逐渐得到应用，但在变频CO₂热泵热水器领域目前还处在探索阶段，其翅片形状和管形状的设计如何达到最佳，目前业界尚在探索阶段，还没有找到一种最佳的设计方法。

[发明内容]

本发明意在解决上述问题。通过对翅片形状和中心管形状强化换热方案进行实验分析，提出一种最佳变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法。

本发明的技术方案如下：

一种变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法，其换热器翅片2形状为波纹形，其中心管为椭圆形，其特征在于，所述椭圆形中心管1的短轴与长轴之比为0.6–0.8。

所述变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法,其特征在于，所述翅片的间距为（0.1-0.25）mm,翅片厚度为（0.2-0.3）mm。

所述变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法,其特征在于，所述椭圆形中心管之间的横向管间距为（20-30）mm，并和圆管具有相同当量直径及相同最窄空气流通截面面积。

本发明的有益效果在于，由于所选择的中心管和翅片的相关参数得当，能够取得最佳的热水器强化换热性能。

【说明书附图】

图1波纹翅片管换热器示意图；

图2椭圆管波纹翅片计算区域示意图；

图3Nu随Re的变化；

图4空气出口温度随Re的变化；

图5换热量随Re的变化；

图6Nu随向心率的变化；

图7f随向心率的变化；

图8Nu随翅片间距的变化；

图9f随翅片间距的变化；

图10Nu随翅片厚度的变化；

图11阻力f随翅片厚度的变化；

图12Nu随横向管间距的变化；

图13阻力f随横向管间距的变化；

图14不同管截面形状换热器的Nu对比；

图15不同管截面形状换热器的f对比;

图16不同管截面形状换热器的Re对比。

【具体实施方式】

如图1和图2所示，椭圆形中心管1的短轴和圆管的外径等长，其他参数如下：

椭圆管短轴和长轴之比为0.6（图6、图7所示实验除外）；

管排数为2；

圆管外径为10.55mm；

横向管间距为25.0mm（图12中实施例除外）；

纵向管间距dzj=21.65mm；

翅片2间距=dcj2.0mm；

翅片厚度为0.2mm（图10中实施例除外）；

波纹倾角a=17.44°；

波长l=10.825mm；

空气流动方向翅片长lac=43.3mm；

椭圆管短轴la=10.55mm。

1、椭圆管与圆管波纹翅片换热器的换热及阻力特性对比

如图3所示，随着Re(雷诺数)增加，圆管及椭圆管的换热性能都得到了强化，椭圆管的换热性能总是高于圆管的换热性能，而且Re越高，椭圆管的换热性能强化越多。由于椭圆管的管表面积比圆管大，管后的尾流区比圆管小，而且内部的流速比圆管高，使得在所计算的Re范围内，椭圆管换热器的换热性能比圆管换热性能强化最高可达30%。

椭圆管与圆管波纹翅片换热器空气出口温度及总换热量的对比关系，见图4、图5可以看到随Re增加，两种管形状的换热器的出口温度均减小，而且椭圆管换热器的出口温度总是比圆管高，说明空气经过椭圆管换热器的温升较大，换热效果比圆管好。出口温度的变化规律反应在换热量上，随Re增加，两种换热器的换热量都在增加，椭圆管的换热量一直都比圆管的换热量高，而且Re越大，两者的差别也就越大。

2、椭圆管向心率对换热及阻力性能的影响

在Re=1000的条件下，对向心率在0.6-1.0的变化范围内的椭圆管换热器的换热及阻力性能进行了模拟研究。椭圆的短轴长度始终保持不变，结果如下图6、图7所示。

随着向心率的增加，短轴长度逐渐接近于长轴，椭圆管向圆管转变，换热器的换热性能逐渐降低。由于受到物理模型几何尺寸的限制，向心率最小只能取到0.6，而在这个变化范围内，没有发现最佳向心率，但是从图形的变化趋势上，可以推论出最佳向心率为0.6-0.8。

向心率对阻力特性的影响如图7所示，在向心率较小的时候，f随向心率的增加，快速下降，然后随着向心率的增加，下降的趋势逐渐减缓。随着向心率的增加，椭圆管的形状越来越接近于圆管，因此椭圆管换热器的换热及阻力性能也越来越接近于圆管换热器。

3、翅片间距对椭圆管换热器换热及阻力性能的影响

翅片间距对椭圆管波纹翅片换热器的平均换热及阻力性能的影响如下图8、图9所示。基于椭圆管短轴长度的翅片间距变化范围从0.05到0.4，取Re=1000，对应的来流速度为0.927m/s。

Nu（努塞尔数）随翅片间距的变化关系，参见图8。当翅片间距在0.1左右时，Nu达到最大值，随着翅片间距远离这个最佳值，Nu逐渐下降，并且当翅片间距大于0.25时，翅片间距对Nu的影响逐渐减小，基本可以忽略不计。翅片间距对f的影响如图9所示，随着翅片间距的增加，阻力f单调减小，而且在翅片间距较小时，减小的速度非常快，但是当翅片间距大于0.25时，翅片间距进一步增大几乎不再对f产生影响。由此，翅片间距的最佳值为（0.1-0.25）mm。

4、翅片厚度对椭圆管换热器换热及阻力性能的影响

取来流速度为0.928m/s，计算结果如图10、图11所示。如图10所示，Nu随翅片厚度增加而增加，但是增加的趋势越来越缓。Nu增加主要是由于翅片厚度增加，使得空气流通面积变窄，空气流速增加造成的。阻力f随着翅片厚度的增加而增加，如图11所示，由于空气流速、进口收缩效应及出口膨胀效应均随翅片厚度增加而增加，使得f随翅片厚度的变化趋势越来越陡。实验表明，最佳翅片厚度为（0.2-0.3）mm。

5、横向管间距对椭圆管波纹翅片换热器的换热及阻力性能的影响

Nu随着横向管间距的变化规律如图12所示。横向管间距从10.0mm变化到30.0mm，其他几何参数和上面相同，空气来流速度为0.927m/s。随着横向管间距的增加，空气侧最窄截面面积和空气来流面积之比也增加，空气在最窄截面处的流速减小。随着横向管间距增大，椭圆管对于流动造成的扰动越来越小，而且翅片表面的温度越来越低，计算单元的换热效果越来越差，因此，Nu随横向管间距增大而逐渐降低。当横向管间距大于30以后，再进一步增加管间距，将几乎不再影响换热性能。图13表示了f和横向管间距之间的变化关系，随着横向管间距增加，圆管对空气的扰动阻力越来越小，f逐渐降低。

6、不同管截面形状的波纹翅片换热器流动与换热特性比较

使用5种换热器结构实验，其区别仅在于管截面形状不同，其他几何参数完全一致。A换热器为圆管，半径5.3mm；B椭圆换热器长短轴半径为3.91:6.52；C椭圆换热器长短轴半径为4.11:6.85；D椭圆换热器长短轴半径为4.51:7.52；E椭圆换热器长短轴半径为5.11:8.52。

如图14所示，椭圆管形状更符合空气动力学原理，使得椭圆管管尾的回流区域比圆管明显减小，而且椭圆管的换热面积也比圆管大。因此，4种椭圆管的换热性能都比圆管要好。相比于圆管换热器A，椭圆管B的换热性能平均强化了12.3%，椭圆管C的换热性能强化了14.6%，椭圆管D强化了17.0%，而椭圆管E强化了16.9%。可见椭圆管D和E的强化换热性能最好，然后依次是C和B。

如图15所示，由于椭圆管外形更符合空气动力学原理，使得空气流过椭圆管的压降比圆管小，因此除了椭圆管换热器E以外，其他几种椭圆管换热器的f都比圆管小。椭圆管E的f比圆管高，主要是因为在该椭圆管换热器内空气流通截面面积比圆管及其他椭圆管小，造成其内部空气流动速度及压降损失比其他几种换热器大，从而f也比其他换热器高。相比于圆管A，椭圆管B、C、D的f分别平均减小了23.9%，20.7%以及17.0%，而椭圆管E的f平均增加了7.1%。对于减阻来说，椭圆管B的效果最好，然后依次是C和D，而椭圆管E却达不到减阻的效果，其阻力损失比圆管还要高。

如图16所示，相对于圆管换热器A，椭圆管换热器B、C、D和E的综合换热性能分别强化了44.0%-52.9%，40.7%-51.0%，37.3%-47.6%和5.6%-14.5%。从强化换热和节能减阻的综合性能考虑，和圆管具有相同周长的椭圆管波纹翅片换热器B的性能最好，然后依次是相同管截面面积（C）、相同管当量直径（D）、相同最窄空气流通截面（E）的椭圆管换热器。

Claims

1.一种变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法，其换热器翅片（2）形状为波纹形，其中心管（1）为椭圆形，其特征在于，所述椭圆形中心管（1）的短轴与长轴之比为0.6 – 0.8。

2. 如权利要求1所述的一种变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法，其特征在于，所述翅片（2）的间距为（ 0.1 - 0.25）mm，翅片厚度为（0.2 - 0.3）mm。

3.如权利要求1或2所述的一种变频CO₂热泵热水器波纹翅片换热器的设计方法，其特征在于，所述椭圆形中心管（1）之间的横向管间距为（20-30）mm，并和圆管具有相同当量直径及相同最窄空气流通截面面积。