技术：空调管翅式换热器接触情况对换热有何影响？

 

为了分析管翅间接触情况对换热的影响，本文我们将分别从理论和仿真两方面进行换热过程研究，并选择合适的参数表征接触状态。

 

 

 

管翅式换热器广泛应用于空调行业中，主要由铜管    (    换热管   )    和翅片组成，其中铜管与翅片的紧固通过机械胀管方式完成。  

 

其过程是 :    在液压力作用下推动胀头在铜管内前进，挤压铜管使其内径扩大，随之与翅片贴合，但实际上管翅之间的接触并不是完全接触，存在微小间隙。  

 

 

 

1、间隙传热理论模型

           

 

在传热学中，传热方式包括传导、对流与辐射。铜管与翅片之间的间隙通常是微米级，可以不考虑对流传热方式，而一般温度低于 300 ℃时可忽略辐射的作用，则铜管和翅片的接触传热主要是热传导，包括固体接触部分传热和间隙介质传热。  

 

此时接触传热系数可以写成:  

 

由于接触界面的间隙厚度和表面粗糙度为同一数量级，而且与间隙中气体分子的平均自由程λ在数量级上接近，此时间隙气体导热属于微尺度传热领域。克努森数 ( Kn) 是间隙气体分子平均自由程λ与平均间隙厚度δ之比，  

 

可以根据克努森数这一量纲为一的数选择合适传热模型 :  

 

 

当 0. 1 ＜ Kn ＜ 10 ，气隙传热处于过渡区，分子间的相互作用和气体分子与接触界面的能量交换都很重要，气隙接触传热系数可采用式 ( 6) 进行计算。  

综上可以看出，气隙传热主要受气体热传导系数 kg 和平均气隙厚度δ影响，一般管翅式换热器胀管过程在空气环境中进行，气体热传导系数固定为空气热传导系数，下面对管翅接触参数进行分析。  

2、模型建立

           

 

由于翅片翻边的存在，铜管与翅片翻边的空隙比铜管与翅片直线段间隙更大，不可忽略其传热影响，由于文中讨论铜管与翅片直线段的接触状态对换热器传热的影响，在模型建立上保留翅片翻边，但不做深入探讨。选择两排叉排换热器模型简化成图 2 所示，具体参数见表 1 ，主要观察中间翅片及周围流场以分析接触情况对管翅传热影响。利用 Gambit 将简化模型划分网格，如图 3 所示。  

 

 

为了防止驻点和回流，适当延长入口区域和出口区域。选择标准κ－ε湍流模型，设置速度入口为 3 m/s ，温度为 298. 15 K ，出口边界为压力出口，两侧设置为对称边界，铜管内壁温度为 308. 15 K 。由于翅片表面的温度是非均匀的，需要通过耦合换热求解。  

 

3、仿真结果与讨论

           

 

以间隙厚度参数表示对气隙传热影响，接触长度占比参数表示对固体接触影响，图 4 分别展示了在不同间隙厚度中间翅片上表面 ( Y 坐标 1. 76 mm) 温度场，间隙厚度为 0 表示铜管和翅片完全接触。可以看出 : 随着间隙厚度增加，翅片上表面温度分布显著下降，这意味着铜管处热量并没有很好地传递到翅片处，接触热阻是增加的，不利于散热。  

图 5 是同一间隙厚度下中间翅片中心截面、下表面的温度场，其中 Y 坐标 1. 705 mm 表示中间翅片中心截面， Y 坐标 1. 65 mm 表示中间翅片下表面。由图 5 可知 : 与中间翅片中心截面的分布温度相比，中间翅片下表面的温度相对更小，说明在空气对流的作用下，翅片表面的热量被空气带走，其温度更低。  

图 6 是间隙厚度为 0. 013 mm 时所截取的中间翅片上方空气流道中心截面 ( Y 坐标 2. 53 mm) 速度场和压力场。空气流速随着其前进不断增加，在翅片外壁的影响下，空气绕体流动，此处流速最高，而在背风侧流速下降，甚至为 0 。气压则是随着空气前进流动逐渐下降，在迎风侧压力下降更快。  

 

图 7 是间隙厚度 0. 036 mm 时截取 Z 坐标 10 mm 界面的温度分布图。可看到 : 铜管的热量除了从管翅接触传递，也从翅片翻边与另一翅片、铜管所围成的空气传递，其范围明显大于管翅间隙。  

 

图 8 是在间隙厚度为 0. 013 mm ，管翅接触长度占名义接触长度之比分别为 0% 、 10% 、 70% 的中间翅片上表面温度场，可以得到铜管和翅片在有接触情况下其温度场大小分布随接触长度占比的增加而升高，而管翅完全没有接触时，翅片上分布温度明显低于其他两种情况，这表明此时管翅几乎通过间隙气体进行热传导，而空气热传导系数是远小于金属热传导系数，使得热量没有很好地传递到翅片，从而使得翅片上温度更小，没有起到很好的散热作用。  

 

4、结论

           

 

通过理论和模拟发现管翅接触状态对铜管、翅片之间的传热有明显影响，本文作者主要以接触长度占比和间隙厚度表征管翅接触状态，以分析其对换热器传热的影响，并得到以下结果 :  

( 1) 管翅接触长度占比增加，热量可以更好地从铜管处传递到翅片，随着固体接触部分的增加，传递到翅片上的热量越多，提高了换热器散热效果。  

( 2) 间隙厚度一方面决定了克努森数的范围，从而决定气隙传热系数的计算 ; 另一方面，从仿真结果得知，随着间隙厚度的增加，铜管和翅片的贴合度下降，翅片分布的温度是减小的，接触传热系数越小，越不利于换热器的散热。  

( 3) 翅片翻边的存在使得热量除了从管翅接触途径传递，也从翅片翻边与翅片、铜管围起的空气传递，这使得不可忽略翅片翻边对传热的影响，同时在研究胀管过程时需要关注翅片翻边对后续管翅成形结果的影响。     

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